DE202017107664U1 - Heizraum zum Bereitstellen einer Wärme und Sprühtrockner zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes - Google Patents

Heizraum zum Bereitstellen einer Wärme und Sprühtrockner zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes Download PDF

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Abstract

Heizraum (101) zum Bereitstellen einer Wärme, wobei der Heizraum eine Brennkammer (103, 107) zum Erzeugen der Wärme durch ein Verbrennen eines Brennstoffes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsensor (131, 133, 135, 137, 139) in dem Heizraum und/oder an der Brennkammer zum Erfassen einer Messgröße angeordnet ist, wobei dem Messsensor eine autarke Energieversorgung zugeordnet ist, sodass der Messsensor frei von einer externen kabelbasierten Energieversorgung betreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heizraum zum Bereitstellen einer Wärme, wobei der Heizraum eine Brennkammer zum Erzeugen der Wärme durch ein Verbrennen eines Brennstoffes aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Sprühtrockner zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes.
  • Ein Heizraum dient der Bereitstellung einer Wärme, welche durch direkte oder indirekte Befeuerung erzeugt wird. Bei einem Heizraum handelt es sich beispielsweise um einen Lufterhitzer zum Erwärmen von Luft für industrielle Prozesse, beispielsweise für das Trocknen eines zu trocknenden Produktes in einem Trockenturm und/oder Sprühtrockner. Vor allem bei direkt befeuerten Lufterhitzern kommt es zu Schwankungen in der Temperatur der erhitzten Luft, welche bei der üblichen Temperaturmessung beim Austritt aus dem Lufterhitzer erst dort festgestellt wird und somit beim Eintritt in den nachfolgenden Sprühtrockner nicht mehr korrigiert werden kann. Diese Temperaturschwankungen führen zur Verschlechterung der Produktqualität und durch Absetzen des zu trocknenden Produktes aufgrund lokal erhöhter Temperaturen zu einer erhöhten Brand- und/oder Explosionsgefahr.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch einen Heizraum zum Bereitstellen einer Wärme nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen des Heizraums sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben. Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch einen Sprühtrockner zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes nach Anspruch 11.
  • Dadurch, dass ein Messsensor frei von einer externen kabelbasierten Energieversorgung im Heizraum angeordnet ist, ist beispielsweise eine Temperatur als Messgröße direkt im Heizraum und/oder an der Brennkammer erfassbar.
  • Zudem kann durch die Anordnung mehrerer Messsensoren eine Temperaturverteilung innerhalb des Heizraums und/oder an der Brennkammer erfasst und somit der Verbrennungsprozess und/oder die Strömungsführung innerhalb des Heizraums optimiert werden.
  • Somit kann eine sehr konstante Temperatur im Ausgang des Heizraums, beispielsweise in der erhitzten Prozessluft für industrielle Prozesse, erzielt werden.
  • Dadurch, dass mit dem zugehörigen Sender eines Messsensors auch Informationen zur Identifizierung des Messsensors sendbar sind, kann sehr schnell ein fehlerhafter Messsensor erkannt und/oder ausgetauscht werden.
  • Durch den Empfänger kann das Auslesen und/oder Auswerten der Messsignale außerhalb des Heizraums bei Umgebungstemperaturen erfolgen.
  • Unter einem „Heizraum“ wird insbesondere ein Raum verstanden, in welchem Wärme durch Verbrennen eines Brennstoffes in einer Brennkammer im Heizraum erzeugt wird. Beim Verbrennen liegt in dem Heizraum insbesondere eine hohe Temperatur in einem Bereich von ca. 500°C bis 1.200°C vor. Bei einem Heizraum handelt es sich beispielsweise um einen Lufterhitzer, bei dem die Rauchgase aus der Verbrennung ihre Wärme an eine aufzuheizende Prozessluft in Lufterhitzungskammern abgeben.
  • Ein „Messsensor“ ist insbesondere ein technisches Bauteil, welches bestimmte physikalische und/oder chemische Eigenschaften seiner Umgebung qualitativ oder quantitativ erfasst. Mittels eines Messsensors wird insbesondere die Wärmemenge, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallfeldgröße, elektrochemisches Potential und/oder eine andere Eigenschaft bestimmt. Die erfasste qualitative oder quantitative Messgröße wird insbesondere durch den Messsensor in ein weiterverarbeitbares elektrisches Messsignal umgeformt. Ein Messsensor ist insbesondere im Hinblick auf die Energieverwendung ein passiver Sensor, da dieser keine elektrische Hilfsenergie zum Erzeugen eines elektrischen Signals benötigt.
  • Insbesondere weist der Messsensor ein stromerzeugendes Piezoelement auf. Ein Messsensor ist insbesondere ein SAW-Sensor (Service Acoustic Wave; beispielsweise ein SAW-Sensorelement der SAW COMPONENTS Dresden GmbH, welcher eine akustische Oberflächenwelle ausnutzt, welche sich danach auf einer Oberfläche nur in zwei Dimensionen des SAW-Sensors ausbreitet. Ein SAW-Sensor besteht insbesondere aus einem piezoelektrischen Substrat, auf dem metallische Strukturen (Transponder und Reflektor) aufgebracht sind. Bei einem SAW-Sensor wird insbesondere ein eingestrahltes Signal als Echo über die gleiche Antenne zurückgegeben, nach dem das Signal durch die akustische Oberflächenwellenstruktur gelaufen ist und an zwei oder mehreren Strukturen reflektiert wird. Hierbei nutzt der SAW-Sensor insbesondere die Abhängigkeit der Oberflächenwellengeschwindigkeit von der mechanischen Verspannung und/oder der Temperatur. Der SAW-Sensor ist insbesondere in einem weiten Temperaturbereich von –55°C bis über 1.200°C beständig.
  • Eine „autarke Energieversorgung“ ist insbesondere eine Versorgung des Messsensors mit der benötigten Energie, welche ausschließlich durch den Messsensor selbst oder einem dem Messsensor zugeordneten externen Empfänger erzeugt wird. Die autarke Energieversorgung ist insbesondere frei von der Bereitstellung der benötigten Energie mittels einer Batterie und/oder eines stromführenden Kabels. Eine autarke Energieversorgung kann insbesondere kontinuierlich Energie bereitstellen und somit eine sehr lange Standzeit des Messsensors von über 10.000 Stunden, bevorzugt über 50.000 Stunden gewährleisten.
  • Ein „Piezoelement“ ist insbesondere ein Bauteil, welches den Piezoeffekt ausnutzt, um beim Einwirken einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung zu erzeugen. Insbesondere tritt bei einer gerichteten Verformung des Piezoelementes eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit ein Auftreten einer elektrischen Spannung am Piezoelement auf. Bei der gerichteten Verformung wirkt der angelegte Druck insbesondere nur von zwei gegenüberliegenden Seiten auf das Piezoelement. Somit ist eine gerichtete Verformung insbesondere durch das Einspannen des Piezoelementes in zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden beispielsweise eines Einschnittes in der Brennkammer realisierbar.
  • Mittels des Heizraums wird eine Prozessluft mit einer optimalen Trocknungstemperatur für einen Trockenturm und/oder Sprühtrockner bereitgestellt. Folglich kann eine sehr homogene Trocknung und ein qualitativ sehr hochwertiges Trocknungsprodukt erzielt werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
  • 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Lufterhitzers mit einer Brennkammer und sechs SAW-Temperatursensoren.
  • Ein Lufterhitzer 101 weist eine Brennkammer 103 auf. An einer Oberseite der Brennkammer 103 ist ein Brenner 105 angeordnet. Der Brenner 105 ist mit einer Brennluftzufuhr 119 und einer Brenngaszufuhr 121 verbunden. Unterhalb des Brenners 105 in der Mitte der Brennkammer 103 ist eine Opferbrennkammer 107 mit einer Vielzahl von Löchern 109 angeordnet.
  • Des Weiteren weist der Lufterhitzer 101 unten einen rundumlaufenden Prozessluftzugang 113 auf. An seiner Oberseite und seinen Seitenwänden weist der Lufterhitzer 101 eine rundumlaufenden Lufterhitzungskammer 111 auf, welche als meanderförmige Strömungskanäle ausgeführt ist. Die Lufterhitzungskammer 111 endet in einem Prozessluftabgang 115. Die Brennkammer 103 ist mit einem rundumlaufenden Rauchgasabzug 123 verbunden, welcher in einem Rauchgasabgang 117 endet.
  • In dem Lufterhitzer 101 ist ein erster SAW-Temperatursensor 131 im Prozessluftzugang 113 angeordnet. Ein zweiter SAW-Temperatursensor 133 befindet sich im unteren Bereich und ein dritter SAW-Temperatursensor 135 im oberen Bereich der Opferbrennkammer 107. Ein vierter SAW-Temperatursensor 137 ist im Übergang von der Brennkammer 103 in den Rauchgasabzug 123 angeordnet. Ein fünfter SAW-Temperatursensor 139 befindet sich im Prozessluftabgang 115.
  • Der erste SAW-Temperatursensor 131, der zweite SAW-Temperatursensor 133, der dritte SAW-Temperatursensor 135, der vierte SAW-Temperatursensor 137 und der fünfte SAW-Temperatursensor 139 weisen jeweils ein piezoelektrisches Substrat 141, einen Sender 143, eine Antenne 145 sowie eine Abmessung von 5 × 3 mm2 und ein Gewicht von 2 g auf. Außerhalb des Lufterhitzers 101 ist ein externer Empfänger 149 unter Umgebungstemperatur angeordnet.
  • Der zweite und der dritte SAW-Temperatursensor 133 und jeweils in einem Einschnitt 151 der Opferbrennkammer 107 angeordnet. Diese beiden SAW-Temperatursensoren 133 und 135 sind jeweils zusammen mit ihrer zugehörigen Antenne 145 in dem Einschnitt 151 mittels eines Quarzglases 147 als Vergussmaterial zum Schutz eingegossen, sodass der Einschnitt 151 vollständig mit Quarzglas 147 ausgefüllt ist. Das jeweilige piezoelektrische Substrat 141 des zweien und des dritten SAW-Temperatursensors 133 und 135 sind jeweils in einer vertikalen Abmessung des Einschnittes 151 fest eingespannt. Dagegen ist die horizontale Ausrichtung der beiden SAW-Temperatursensoren 133 und 135 geringer als die horizontale Abmessung des Einschnittes 151.
  • Im Lufterhitzer 101 wird ein Brenngas über die Brenngaszufuhr 121 und eine Brennluft über die Brennluftzufuhr 119 dem Brenner 105 zugeführt und verbrannt, wobei sich eine entsprechende Flamme innerhalb der Opferbrennkammer 107 ausbildet. Sich bildende Rauchgase strömen durch die Löcher 109 der Opferbrennkammer 107 in die Brennkammer 103.
  • Aus der Brennkammer 103 wird eine erzeugte thermische Energie der Verbrennung an die rundumlaufende Lufterhitzungskammer 111 abgegeben. Dazu wird über den Prozessluftzugang 113 kontinuierlich Prozessluft mit einer Umgebungstemperatur von 20°C in die Lufterhitzungskammer 111 eingebracht, welche vom ersten SAW-Temperatursensor 131 gemessen und an den Empfänger 149 übertragen wird. Die sich bildenden Rauchgase strömen durch den rundumlaufenden Rauchgasabzug 123, welcher Kontaktflächen zu der Lufterhitzungskammer 111 aufweist, sodass eine thermische Energie der Rauchgase an die Prozessluft in der Lufterhitzungskammer 111 abgegeben wird. Dadurch erwärmt sich die Prozessluft beim Durchströmen der Lufterhitzungskammer 111 und verlässt den Prozessluftabgang 115 mit einer Temperatur von 300°C, welche vom fünften SAW-Temperatursensor 131 gemessen und an den Empfänger 149 übertragen wird. Diese erwärmte Prozessluft wird nach Verlassen des Prozessluftabganges 115 des Lufterhitzers 101 direkt einem Trockenturm zum Trocknen von Milch zugeführt.
  • Während des Verbrennen des Brenngases im Lufterhitzer 101 messen die fünf SAW-Temperatursensoren 131, 133, 135, 137 und 139 jeweils die Temperatur und senden ihre Temperaturmesssignale jeweils mittels ihres Senders 143 und ihrer Antenne 145 an den externen Empfänger 149 außerhalb des Lufterhitzers 101. Der zweite SAW-Temperatursensor 133 und der dritte SAW-Temperatursensor 135 erhalten ihre elektrische Spannungsversorgung zum Messen und Übertragen der Temperaturmesssignale über das im jeweiligen Einschnitt 151 eingespannten piezoelektrischen Substrat, welches aufgrund der Einspannung jeweils eine elektrische Spannung erzeugen.
  • Der erste SAW-Temperatursensor 131, der vierte SAW-Temperatursensor 137 und der fünfte SAW-Temperatursensor 139 erhalten eine diskontinuierliche elektrische Spannungsversorgung aus dem empfangenen Signal des Empfängers 149.
  • Die fünf SAW-Temperatursensoren 131, 133, 135, 137 und 139 senden ihre Temperaturmesssignale und zugehörige Informationen zur Identifizierung mit unterschiedlichen Frequenzen im Bandbereich von 2.400MHz bis 2.483MHz. Dadurch kann der externe Empfänger 149 eindeutig die fünf SAW-Temperatursensoren 131, 133, 135, 137 und 139 identifizieren und diesen die übertragenen Temperatursignale eindeutig zuordnen. Der externe Empfänger 149 überwacht die Temperatursignale der fünf SAW-Temperatursensoren 131, 133, 135, 137 und 139 während des Verbrennens des Brenngases in der Brennkammer 103.
  • Dabei wird zwischenzeitlich festgestellt, dass der zweite SAW-Temperatursensor 133 und der dritte SAW-Temperatursensor 135 eine zu große Temperaturdifferenz von 50°C aufweisen und folglich die vom fünften SAW-Temperatursensor 139 gemessene Temperatur unterhalb der Solltemperatur von 300°C am Prozessluftabgang 115 liegt. Daraufhin wird über eine nicht gezeigte speicherprogrammierbare Steuerung eine Erhöhung der Brenngaszufuhr 121 und der Brennluftzufuhr 119 erwirkt, sodass die Verbrennung verbessert wird. Daraufhin ermitteln der zweite SAW-Temperatursensor 133 und der dritte SAW-Temperatursensor 135 eine ansteigende, sich angleichende Temperatur und nach Übermitteln der Temperaturmesssignale an den externen Empfänger 149, wird von diesem detektiert, dass an der Opferbrennkammer 107 sich wieder die Solltemperatur von 800°C und am Prozessluftabgang aufgrund des Temperaturmesswertes des fünften SAW-Temperatursensors 139 wieder die Soll-Prozessluftabgangstemperatur von 300°C eingestellt hat.
  • Somit wird ein Lufterhitzer bereitgestellt, welcher aufgrund einer Temperaturüberwachung an verschiedenen Stellen innerhalb des Lufterhitzers eine gleichmäßige Hitzeverteilung und somit eine optimale Brenngasausnutzung und eine optimale Prozesslufttemperatur für einen anschließenden Trocknungsprozess in einem Sprühtrockner gewährleistet.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Lufterhitzer
    103
    Brennkammer
    105
    Brenner
    107
    Opferbrennkammer
    109
    Löcher
    111
    Lufterhitzungskammer
    113
    Prozessluftzugang
    115
    Prozessluftabgang
    117
    Rauchgasabgang
    119
    Brennluftzufuhr
    121
    Brenngaszufuhr
    123
    Rauchgasabzug
    131
    erster SAW-Temperatursensor
    133
    zweiter SAW-Temperatursensor
    135
    dritter SAW-Temperatursensor
    137
    vierter SAW-Temperatursensor
    139
    fünfter SAW-Temperatursensor
    141
    piezoelektrisches Substrat
    143
    Sender
    145
    Antenne
    147
    Quarzglas
    149
    externer Empfänger
    151
    Einschnitt

Claims (11)

  1. Heizraum (101) zum Bereitstellen einer Wärme, wobei der Heizraum eine Brennkammer (103, 107) zum Erzeugen der Wärme durch ein Verbrennen eines Brennstoffes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsensor (131, 133, 135, 137, 139) in dem Heizraum und/oder an der Brennkammer zum Erfassen einer Messgröße angeordnet ist, wobei dem Messsensor eine autarke Energieversorgung zugeordnet ist, sodass der Messsensor frei von einer externen kabelbasierten Energieversorgung betreibbar ist.
  2. Heizraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizraum mehrere Messsensoren aufweist, sodass ein Gradient der Messgröße innerhalb des Heizraums und/oder an der Brennkammer erfassbar ist.
  3. Heizraum nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor oder die Messsensoren ein SAW-Sensor, ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor ist oder sind.
  4. Heizraum nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor oder die Messsensoren eine Temperatur in einem Bereich von 20°C bis 1.200°C, bevorzugt von 250°C bis 900°C erfasst oder erfassen.
  5. Heizraum nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor oder die Messsensoren jeweils einen Sender (143) und eine Antenne (145) zur drahtlosen Übertragung eines Messsignals aufweist oder aufweisen.
  6. Heizraum nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Messsensor und/oder die zugehörige Antenne in einem Vergussmaterial (147) eingegossen ist oder sind.
  7. Heizraum nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messsensor oder den Messsensoren ein externer Empfänger (149) zum Auslesen, Auswerten und/oder Überwachen des Messsignals zugeordnet ist oder sind.
  8. Heizraum nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Sender eine Frequenz im Bereich von 9kHz bis 300GHz, bevorzugt von 400MHz bis 2,5GHz aufweist.
  9. Heizraum nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des jeweiligen Senders eine Information zur Identifizierung des Messsensors sendbar ist.
  10. Heizraum nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Messsensor und/oder die zugehörige autarke Energieversorgung, insbesondere mittels eines Piezoelements (141), in einem Material des Heizraums und/oder der Brennkammer eingespannt ist oder sind.
  11. Sprühtrockner zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sprühtrockner ein Heizraum nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeordnet ist, sodass dem Sprühtrockner ein Luftstrom mit einer homogenen Temperaturverteilung aus dem Heizraum zuführbar ist.
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