DE19616100A1 - Verfahren zur Bestimmung des momentanen Massenstroms und der mittleren Korngröße in einer pneumatisch betriebenen Leitung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung des momentanen Massenstroms und der mittleren Korngröße in einer pneumatisch betriebenen Leitung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des momentanen Massen­ stroms und der mittleren Korngröße in einer pneumatisch betriebenen Leitung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Über die Probleme der Ungleichverteilung von Luft und Staubpartikel, insbesondere Kohlenstaub, berichtete R. Jung in: "Probleme der Staub- und Luftverteilung in Kohlenstaubbrennern", Mitteilungen der VGB, Heft62,(1959), S.371-382. Ein wich­ tiger Betriebsparameter ist die momentan durch die Staubleitung geförderte Fest­ stoffmenge. Bekannte Verfahren zur Messung des momentanen Massenstromes erfolgen mittels Absaugung von Proben mit anschließender zeitaufwendiger Ana­ lyse. In dem Aufsatz von W. Barth: "Neues Verfahren zur Bestimmung der augen­ blicklich geförderten Gutmengen im Luftstrom bei pneumatischer Förderung", Zeit­ schrift Chem.- Tech. 29 (1957) Nr. 9, S. 599-602 ist eine weitere Meßmethode be­ schrieben. Die Feststoffmenge wird aufgrund von Wirkdrucken durch Beschleuni­ gung gemessen. Die Nachteile dieser Entwicklung ergaben sich zum größten Teil aus der aufwendigen numerischen Behandlung der Vorgänge in der Düse.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung anzugeben, die kontinuierlich und nahezu aktuell ohne Probeentnahme den Massenstrom und der mittleren Korngröße in einer pneumatischen Förderleitung feststellt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels einer in der Lei­ tung angeordneten Mess-Sonde mit teilweise zylindrischem und/oder konischem Querschnitt an mindestens zwei Stellen der Druck ermittelt wird, daß die ermittelten Druckmeßwerte in elektrische Signale umgewandelt werden, daß eine Vielzahl von Druckmeßwerten aufgenommen und daraus Mittelwerte gebildet werden, daß aus diesen Mittelwerten die Fördergeschwindigkeit und die Feststoffbeladung itera­ tiv mittels eines Rechenprogrammes berechnet werden und daß aus diesen be­ rechneten Werten der momentane Massenstrom bestimmt wird.
Bei diesem Verfahren werden keine Feststoffproben aus der Förderleitung entnom­ men, sondern nur Drucksignale gemessen und aufgezeichnet. Die Messergebnisse werden durch einen Rechner ausgewertet und stehen sofort zur Verfügung. Eine Regelung für die jeweils erforderlichen Prozessparameter, beispielsweise für die Verbrennung für Kohlestaubbrenner, wird durch die schnelle Messung möglich. Um dies zu erreichen, muß die Sonde selbsttätig arbeiten. Dies wird durch eine rech­ nergestützte Steuerung des gesamten Meßvorganges erzielt.
Bekanntlich ermöglichen Querschnittsverengungen die Bestimmungen der Strö­ mungsgeschwindigkeit v der Luft über die Kontinuitätsgleichung, wenn die geome­ trischen Verhältnisse und die statische Druckdifferenz bekannt sind. Trägt eine Gasströmung Feststoff mit sich, verursacht der Transport einen Druckabfall, der zu­ sätzlich zum Luftdruckabfall anfällt und wieder aufgebracht werden muß. Die Größe des Druckabfalls steigt linear mit der Beladung der Förderluft, die durch das Verhältnis der Massenströme von Feststoff zu Förderluft definiert ist. Weiterhin ist der Druckabfall vom Partikelgewicht, durch allseitige Wandstöße und durch die Feststoffbeschleunigung durch das Fördergas abhängig.
Das grundlegende Funktionsprinzip der Mess-Sonde ist der zusätzliche Druckver­ lust durch die Feststoffbeschleunigung ΔpSB nach folgender Gleichung:
ΔpSB = µ pL v Δc
mit µ als Beladung der Förderluft, pL als Transportgasdichte, v als Transportgasgeschwindigkeit und Δc als Beschleunigung des Feststoffes.
Das heißt mit Hilfe von Druckmeßwerten läßt sich aus den obigen theoretischen Betrachtungen der Massentransport berechnen.
Bei der Messung von statischen Drücken in feststoffhaltigen Gasströmungen be­ steht die Gefahr, daß Partikel in die Meßleitungen eindringen und sich dort abla­ gern. Ist die Meßbohrung dann verstopft, ist keine Messung mehr möglich. Stän­ dige manuelle Reinigungen, die den Prozeß unterbrechen würden wären die Folge.
Es ist daher ein bevorzugter Verfahrensbestandteil, den störungsfreien Betrieb der Sonde zu gewährleisten. Dies geschieht dadurch, eingedrungene Partikel mittels Druckluft wieder z. B. mittels Lavaldüsen auszublasen. Ein Druckluftstrom wird in die Meßleitung gegeben. Es besteht die Möglichkeit jederzeit zu spülen und gleichzeitig zu messen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Messung und die Spülung zeitlich abzuwechseln. Die Steuerung der Spülluft erfolgt über entspre­ chende Schaltventile.
Zum Betrieb der Mess-Sonde wurde ein Steuerprogramm erstellt, welches den ge­ samten Meßvorgang abwickelt und die Ergebnisse auswertet. Bei Beginn der För­ derung wird der Injektor mit dem Treibluftmassenstrom versorgt, der der zuerwar­ tenden Fördergeschwindigkeit entspricht. Vor der ersten Messung wird die Absaug­ geschwindigkeit exakt eingeregelt. Zur Messung werden über ein Zeitintervall, z. B. 5 Sekunden eine große Anzahl (vorzugsweise 100) von Einzelwerten aufgenom­ men und gemittelt. Aus den Meßwerten wird die Absauggeschwindigkeit berechnet und geprüft, ob sie mit der aktuellen Fördergeschwindigkeit übereinstimmt, ob also isokinetisch abgesaugt wurde. Ist dies nicht der Fall, erfolgt eine Wiederholung der Messung. Weicht auch die zweite Messung vom Sollwert ab, wird der Treibstrahl­ vordruck nachgeregelt. Ist die Geschwindigkeit richtig eingestellt, wird bei allen an­ deren Werten geprüft, ob sie innerhalb der zu erwartenden Größenordnung liegen. Wenn nicht kann eine der Meßleitungen verstopft sein und die Leitungen werden gespült. Dieser Vorgang wird in regelmäßigen Abständen wiederholt. Unabhängig davon, ob die Meßleitungen verstopft sind, wird auf jeden Fall periodisch gespült. In größeren zeitlichen Abständen erfolgt eine Nullpunktseichung der Druckmeß­ dosen. Am Schluß einer Förderung wird eine Meßreihe mit reiner Luft ohne Fest­ stoff aufgenommen. Diese Ergebnisse liefern ein genaues Maß für eventuell an der Mess-Sonde aufgetretennen Verschleiß durch Abrieb.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens passiert zur Bestimmung der Korngröße die staubhaltige Gasströmung mindestens eine Querschnittsverengung. Nach der Verengung werden an minde­ stens zwei Meßstellen längs des Weges die statischen Drücke gemessen und aus der Druckdifferenz Δp die Partikelgröße ds bestimmt.
Die Erhöhung Δc der Partikelgeschwindigkeit c berechnet sich dann aus
Zur Berechnung der Partikelgeschwindigkeit c wird dafür aber nicht mehr wie bisher die Beladung µ der Strömung einbesetzt, sondern nur noch der Anteil µ * µ. Dieser erfaßt alle noch nicht ausbeschleunigten Partikeln, die am Drucksignal Δp ursäch­ lich beteiligt sind. Dazu muß ein Schätzwert für die Kornverteilung vorliegen, min­ destens das kleinste Korn der Verteilung dmin. Die Partikelgeschwindigkeit nach der Verengung wird rechnerisch bestimmt. Zusammen mit den gemessenen Erhöhun­ gen Δc ergibt sich ein Geschwindigkeitsverlauf c(1) über der Weglänge 1. Aus die­ sem kann mit Hilfe des bekannten Ar-Ω-Diagramms und des Lastvielfachen n in der Definition
ein Mittelwert für die Partikelgröße ds angegeben werden. Dieser stimmt erfah­ rungsgemäß gut mit dem massenmittleren Wert d₅₀ überein.
Weitere bevorzugte und erfindungsgemäße Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Diese Verfahren ist allgemein bei der pneumatischen Förderung jedes Feststoffes, insbesondere auch in der Zementindustrie oder in der Lebensmitteltechnik, be­ spielsweise bei der Mehlförderung oder ähnliches, anwendbar.
Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Mess-Sonde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Mess-Sonde rohrförmig ausgebildet ist und an mindestens zwei Stellen Druckmess-Stellen angeordnet sind.
Bei dieser Art Sonde werden ausschließlich Drücke gemessen, die dann in ein Mess-Signal umgewandelt werden. Das gesamte Mess-Signal setzt sich aus einem Anteil der Gasströmung und des Feststofftransportes zusammen. Zur Auswertung ist der Anteil der Gasströmung vom Gesamtsignal wieder abzuziehen.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 das Grundprinzip der Mess-Sonde
Fig. 2 Verlauf der Geschwindigkeiten der Luft und des Feststoffes
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform,
Fig. 4 Verlauf der Geschwindigkeiten der Luft und des Feststoffes und
Fig. 5 einen Injektor
In Fig. 1 und 2 ist das Grundprinzip für alle Mess-Sonden dieser Art dargestellt. Die Figur zeigt den Aufbau der Sonde und die Fig. 2 die Geschwindigkeitsverhält­ nisse. Die Mess-Sonde 1 ist rohrförmig ausgebildet. Zur Messung eines Massen­ stromes wird sie in den Massenstrom einer pneumatischen Leitung angeordnet. Die Durchströmung erfolgt von links nach rechts in Richtung des Pfeiles P. Die Meß-Sonde weist einen ersten zylindrischen Bereich 5 auf, dem sich ein konischer Ab­ schnitt 6 anschließt. Der konische Abschnitt 6 ist mit zwei verengten Bereichen 7 und 8 versehen. Die erste Verengung 7 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel eine Steigung von 5° und dient zur Erhöhung der Luftgeschwindigkeit v. Die Feststoffge­ schwindigkeit c bleibt nahezu konstant. Die zweite Verengung hat einen Stei­ gungswinkel von 1° und verursacht eine Erhöhung der Luft- und Feststoffge­ schwindigkeit v und c. Am Beginn und am Ende des zweiten Verengung ist jeweils eine Druckmess-Stelle 2 und 3 zur Erzeugung des Signals für die Druckdifferenz Δ pI vorgesehen. An die zweite Verengung schließt sich ein weiterer Konus 9 mit Aufweitung an. In diesem Beispiel beträgt die Aufweitung 7°. Dieser Abschnitt 9 dient als Diffusor und gleicht wieder an den Durchmesser für die Förderleitung an. Am Ende der Sonde 1 ist eine zylindrische Strecke 10 mit einer weiteren Druck­ mess-Stelle 4 angebracht. Zusammen mit der Druckmess-Stelle 3 wird das Druckdifferenzsignal ΔpII zur Geschwindigkeitsbestimmung erzeugt. Es ist ebenso denkbar, anstelle der konischen Bereiche zylindrische Bereiche mit verschiedenen Querschnitten einzusetzen.
In Fig. 2 sind in Abhängigkeit der Sondenlänge x die Geschwindigkeiten der Luft und des Feststoffes v und c aufgetragen.
Je nach Anwendungsart können die Konen 7, 8 oder 9 verschiedene Steigungswin­ kel aufweisen. Es kann auch der 1°-Abschnitt 8 durch ein zylindrisches Rohr ersetzt werden. Dies wäre beispielsweise bei groben Gütern (Weizen) der Fall. Es gibt An­ wendungsfälle, bei denen der Massenstrom in Teilströme aufgeteilt wird, etwa bei Kohlestaubförderungen in Kraftwerken. Hierzu sind dann Injektoren mit Druckluft und eine Einregelung der Geschwindigkeit erforderlich. Werden Feinheitsmessun­ gen benötigt wären weitere Drucksignale erforderlich.
Eine für die Kohlenstaubförderung vorgesehene Mess-Sonde 25 ist in Fig. 3 ge­ zeigt mit den Geschwindigkeitsverläufen in Fig. 4. Die Sonde 25 beginnt, in Trans­ portrichtung P gesehen, mit einem zylindrischen Stück 16 und einem ersten Konus 17 mit einem Winkel von 5°. Daran schließt sich ein weiterer aus drei Teilen 18, 19 und 20 bestehender Konus 28 mit einem Winkel von 10 an. Es folgen der Diffusor 21 und die Radiendüse 22. An diese schließt sich eine zweite zylindrische Strecke 23 an. Der nachfolgende zweite Diffusor 24 dient dem Druckrückgewinn. Hinter dem Diffusor 24 ist der Injektor 26 mit Mischstrecke 29 angeordnet, der den Druckaufbau zur Durchströmung der Sonde 25 aufbringt. Die Bezugszeichen 12, 13, 14 und 15 bezeichnen die Druckmess-Stellen in der Mess-Sonde 25. An der Innenwand der pneumatischen Leitung ist ebenfalls eine Druckmess-Stelle 11 vorgesehen. Mit δqI wird die Druckdifferenz zwischen Rohrinnenwand 27 der pneumatischen Leitung und des Sondeneingangsbereiches 16 gemessen. Diese Druckdifferenz ΔqI dient zur Einstellung der isokinetischen Absaugung. ΔqII wird vom Eintrittszylinder 16 bis zum Beginn der Radiendüse 22 gemessen. Dies ist die Beschleunigungsstrecke bei geringen Differenzgeschwindigkeiten und hohem Widerstandsbeiwert. Das Signal ΔqIII vom Beginn zum Ende der Radiendüse 22 liefert die Luftgeschwindigkeit. Im Bereich nach der Radiendüse wird das Signal ΔqIV bei hohen Differenzgeschwin­ digkeiten und kleinem Widerstandsbeiwert gemessen.
Aus der speziell gewählten Ausführungsform ergibt sich der in Fig. 4 gezeigte Verlauf von Luft- und Feststoffgeschwindigkeit v und c und des statischen Druckes ΔpS gegenüber dem Umgebungsdruck. Im Einlaufzylinder 16 bleiben Luft- und Teil­ chengeschwindigkeit v und c unverändert. Im ersten Konus 17 beschleunigt die Luft und erreicht eine Differenzgeschwindigkeit von w = 10 m/s zur Feststoffgeschwin­ digkeit c. Diese Differenzgeschwindigkeit wird im gesamten nachfolgenden schlan­ ken Konus 18,19 und 20 beibehalten. Im zweiten Konusbereich 18,19 und 20 be­ schleunigt der Feststoff erstmalig und ruft das erste Drucksignal ΔqII hervor. Im Diffusor 21 bleibt der Feststoff praktisch gleich schnell, die Luft wird verzögert. In der sich anschließenden Radiendüse 22 wird die Luft stark beschleunigt und er­ reicht Geschwindigkeiten von über 100 m/s. Der Feststoff kann diesem raschen Anstieg der Luftgeschwindigkeit v nicht folgen und beschleunigt erst im zweiten Zylinder 23, wo das Signal ΔqIV gemessen wird. Im letzten Diffusor 24 wird die Luft erneut verzögert, um Druck zurückzugewinnen.
In einigen Anwendungsfällen benötigt die Sonde zusätzliche Antriebsenergie, um den Druckverlust von Luft und Feststoff bei der Durchströmung der Sonde auszu­ gleichen. Vorzugsweise werden hierfür mit Druckluft betriebene Injektoren 26 einge­ setzt, wie in Fig. 5 gezeigt. Der Druckluftstrom MT strömt mit einer Geschwindig­ keit vT über einen Ringspalt 30 durch Bohrungen 29 in die Sonde 25 und reißt die Förderluft aus der Umgebung mit.
Im Falle, daß ein Teilstrom aus der Förderleitung abgezweigt wird, muß der Teil­ strom isokinetisch sein, d. h. mit gleicher Geschwindigkeit wie die Hauptströmung abgesaugt werden. Um dies zu erreichen sorgt ein Rechenprogramm für eine stän­ dige Anpassung der Betriebsparameter an die veränderten Förderbedingungen.
Bezugszeichenliste
1 Mess-Sonde
2 Druckmess-Stelle
3 Druckmess-Stelle
4 Druckmess-Stelle
5 zylindrischer Bereich
6 konischer Abschnitt
7 konischer Abschnitt
8 konischer Abschnitt
9 konischer Abschnitt
10 zylindrischer Bereich
11 Druckmess-Stelle
12 Druckmess-Stelle
13 Druckmess-Stelle
14 Druckmess-Stelle
15 Druckmess-Stelle
16 zylindrischer Bereich
17 konischer Abschnitt
18 konischer Abschnitt
19 konischer Abschnitt
20 konischer Abschnitt
21 Diffusor
22 Radiendüse
23 zylindrischer Bereich
24 Diffusor
25 Mess-Sonde
26 Injektor
27 Rohrinnenwand
28 Mischstrecke
29 Bohrungen
30 Ringspalt
ΔpI Druckdifferenz zwischen 2 und 3
ΔpII Druckdifferenz zwischen 3 und 4
P Strömungsrichtung
x Sondenlänge von 1
v Luftgeschwindigkeit
c Feststoffgeschwindigkeit
l Sondenlänge von 25
ΔpS statischer Druck
ΔpI Druckdifferenz zwischen 11 und 12
ΔpII Druckdifferenz zwischen 12 und 13
ΔpIII Druckdifferenz zwischen 13 und 14
ΔpIV Druckdifferenz zwischen 14 und 15
MT Druckluftstrom
vT Druckluftgeschwindigkeit

Claims (19)

1. Verfahren zur Bestimmung des momentanen Massenstroms und der mittleren Korngröße in einer pneumatisch betriebenen Leitung dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mittels einer in der Leitung angeordneten Mess-Sonde (1, 25) mit teil­ weise zylindrischem (5, 10, 16 und 23) und/oder konischem Querschnitt (6 bis 9 und 17 bis 21 und 24) an mindestens zwei Stellen der Druck ermittelt wird,
  • - daß die ermittelten Druckmeßwerte in elektrische Signale umgewandelt wer­ den,
  • - daß eine Vielzahl von Druckmeßwerten aufgenommen und daraus Mittelwerte gebildet werden,
  • - daß aus diesen Mittelwerten die Fördergeschwindigkeit und die Feststoffbela­ dung iterativ mittels eines Rechenprogrammes berechnet werden und
  • - daß aus diesen berechneten Werten der momentane Massenstrom bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitungen zur Bestimmung des Druckes in regelmäßigen Abständen durchspült werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleich der Meßwerte mit den Erwartungswerten erfolgt, wobei bei zu großer Abweichung eine Durchspülung der Leitungen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Leitungen auf Verstopfung geprüft werden.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß in regelmäßigen Abständen ein Nullabgleich der Druckmess-Stellen (2 bis 4, 11 bis 15) zur Korrektur der Nullpunktdrift erfolgt.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugegeschwindigkeit einstellbar ist, wobei die Regelung über einen Vergleich der Druckdifferenz von dem Druck an der Eintrittszone (5) mit dem Druck an der Innenwand (27) der peumatischen Leitung erfolgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung von Verschleiß und Belagbildung die Druckwerte bei Durchströmung mit reiner Luft gemessen und gespeichert werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Bestimmung der Korngröße die staubhaltige Gasströ­ mung mindestens eine Querschnittsverengung passiert und nach der Veren­ gung an mindestens 2 Meßstellen längs des Weges die statischen Drücke ge­ messen werden.
9. Mess-Sonde zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vor­ herigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mess-Sonde (1, 25) rohrförmig ausgebildet ist und an mindestens zwei Stellen Druckmess-Stellen (2 bis 4, 11 bis 15) angeordnet sind.
10. Mess-Sonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-Sonde (1, 25) an ihrem Eingang (5, 16) einen zylindrischen Querschnitt aufweist und sich Abschnitte mit konischem Querschnitt anschließen.
11. Mess-Sonde nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Abschnitte (6 bis 8, 17 bis 20) unterschiedliche Konen aufweisen, wobei die Steigung der Konen in Richtung des Ausgangs (10, 28) der Mess-Sonde (1, 25) abnimmt.
12. Mess-Sonde nach den Ansprüchen 9,10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den konischen Bereichen (6 bis 8, 17 bis 20) mindestens ein weite­ rer konischer Bereich (9, 21, 24) angeordnet ist, dessen Querschnitt zum Aus­ gang der Mess-Sonde (1, 25) zunimmt.
13. Mess-Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ gangsbereich (10, 28) der Mess-Sonde (1, 25) eine Zylinderstrecke aufweist.
14. Mess-Sonde nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Ausgangsbereich der Mess-Sonde (25) eine Radien­ düse (22) mit Mischstrecke angeordnet ist, an die sich eine Zylinderstrecke (23) anschließt.
15. Mess-Sonde nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an der Leitungsinnenwand (27) und am Eintritt (5,16) der Mess-Sonde (1, 25) jeweils eine Druckmess-Stelle (11, 12) zur Einstellung der isokinetischen Absaugung angeordnet ist.
16. Mess-Sonde nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu Beginn des konischen Abschnittes (6) der Mess-Sonde (1) eine Druckmess-Stelle (2) und am Ende des konischen Abschnittes (6) eine Druckmess-Stelle (3) angeordnet sind.
17. Mess-Sonde nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu Beginn der Radiendüse (22) eine Druckmess-Stelle (13) angeordnet ist.
18. Mess-Sonde nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Ende der Radiendüse (22) Druckmess-Stelle (4) ange­ ordnet ist.
19. Mess-Sonde nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Endbereich der Mess-Sonde (1, 25) eine Druckmeß-Stelle (4, 15) angeordnet ist.
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