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BREBNNERSTEUERUNG NACH DEM CO-GEHALT DER FLAMME «,ie Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Messen und/oder Steuern Qes Kohlenmonoxidgehaltes an den Flamn,en
/oder Verbrennungsprodukten von Gas-, Oel- oder Kohlestaubbrennern.
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Die Vollständigkeit des Verbrennungsvorganges in einem Gas-, Oel-
oder Kohlestaubbrenner kann über den Kohlenmonoxidgehalt der Verbrennungsprodukte
der Brenner verhaltnismeßig gut erfaßt werden. Dieser Kohlenmonoxidgehalt ist damit
im wesentlichen auch repräsentativ für den Gehalt an weiteren Schadstoffen in den
Verbrennungsprodukten. Der Zweck der Erfindung ist es, ein praktisch trägheitslos
arbeitendes Anzeige- und ggf. Steuerorgan zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe
der Kohlenmonoxidgehalt am Ende einer Flamme oder am Ausgang einer Verbrennungskammer
erfaßt und ggf. gesteuert werden kann. Dabei kommt der trägheitslosen Erfassung
eine große Bedeutung zu, da erst sie es ermöglicht Steuerungsvorgänge so schnell
auszulösen, daß längerandauernde Verunreinigungen der Verbrennungsprodukte mit Sicherheit
ausgeschlossen werden können.
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Es sind bereits viele Steuereinrichtungen für Brenneranlagen bekannt,
bei denen das als günstig angesehene Brennstoff-LuStmengenverhältnis nach vorgegebenen
Werten möglichst genau eingehalten wird. Solche Anlagen sind z.B. beschrieben worden
in den DT-OS 2350962 und 2335843.
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Es sind auch bereits Einrichtungerl zur Verbrennubgsregelung an Dampfkesseln
oder Industrieöfen beschrieben worden, mit deren Hilfe vorprogrammierte Brennstoffe-Luftmengenverhältnisse
gemiß den Ergebnissen einer Abgasanalyse, insbesondere durch Messen des Sauerstoffgehaltes
der Abgase, Korrigiert werden (DT-AS 1 751 299 und DT-OS 2326395). Die zuletzt erwähnten
Einrichtungen zur Verbennungsregelung weisen jedoch noch eine beträchtliche Tod
zeit zwischen der Änderung c3es Zustandes des Verbrennungsgases und der Erfassung
dieser Änderung durch ein Meßorgan auf. Diese Todzeit ist dadurch bedingt, daß die
Analyse des Verbrennungsgases aug einen Sauerstoffgehalt außerhalb des Verbrennungsraumes
oder des Abgaskanals erfolgt.
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Da die Analyse der Verbrennungsgase, z.B. die Bestimmung ihres Sauerstoffgehaltes,
nach den bisher vorgeschlagenen Verfahren außerhalb des Flammenraumes oder der Brennkammer
erfolgte, mußter Rohrleitungen vorgesehen werden, durch die diese Verbrennungsgase
den Analysegeräten zugeführt wurden. In diesen Rohrleitungen sind die erzielbaren
Strömungsgeschwindigkeiten begrenzt, wenn man Wirbe,rJildungen und damit eine weItere
Reduktor der Strömungsgeschwindigkeit vermeiden will. Hierdurch entstehen notwendigerweise
die oben erwähnten Todzeiten mit den bereits genannten Folgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundeß diese Todzeiten zu vermeiden
und einen elektrischen Meßwert zur Verfügung zu steilen, der unmittelbar dem Kohlenmonoxidgehalt
am Ende einer Brennkammer zugeordnet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöste daß mittels eines
Detektors, der einen sauerstoffionenleitenden keramischen Festkörper enthält und
der im Bereich des Flammenendes angeordnet ist, die Sauerstoffaktivität bestimmt
wird.
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Daß die Bestimmung der Sauerstoffaktivität am Ende des Verbrennungsvorganges
ein eindeutiges Maß für den Kohlenmonoxidgehalt des Verbrennungsproduktes liefert,
kann anhand der Zeichnung in Figur 1 erläutert werden. In dieser Zeichnung ist der
log des Sauerstoffpartialdruckes als Funktion der Sauerstoff
zugabe
zu Kohlenmonoxid oder- Wasserstofl bei verschiedenen Temperaturen aufgetragen. Der
Sauerstcffpartialdruck eines Gases ist der Sauerstoffaktivität in ausgezeichneter
Näherung proportional. Aus der Darstellung der Figur 1 ist zu ersehen, daß der Umschlag
von unvollständiger zu vollständiger Verbrennung durch eine drastische Erhöhung
des Sauerstoffpartialdruckes gekennzeichnet ist (Abnahme des negativen log des Sauerstoffpartialdruckes).
Diese nnderung der Sauerstoffaktivität bzw. des Sauerstoffpartialdruckes kann durch
einen festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor direkt in ein elektrisches Signal
verwandelt werden wie der Darstellung der Figur 2 entnommen werden kann. In der
Figur 2 ist die an einem festkörperlektrolytischen, keramischen Sauerstoffionenleiter
abgreifbare Spannung in mV über der gleichen Abszisse wie in Figur 1 aufgetragen,
und zwar auch wieder mit der Temperatur als Parameter. Es ist zu erkennen, daß bei
Einsetzen einer vollständigen Verbrennung eine drastische Spannungsänderung in der
Größenordnung eines 1/2 V auftritt; sie ist weitgehend unabhängig von der Temperatur.
-Aus der Darstellung der Figur 2 kann darüber hinaus entnommen werden, daß es auch
möglich ist, das Erreichen einer nicht vollständigen Verbrennung vollständig zu
vermeiden, da auch noch im Bereich eines leichten Sauerstoffüberschusses (dicht
rechts neben dem Abszisswert 0,50) eine Spannungsänderung um 20 bis 40 mV zur Verfügung
stehen, mit deren Hilfe man eine Annäherung bei abnehmenden Sauerstoffgehalt an
den Zustand nicht mehr vollständiger Verbrennung rechtzeitig erkennen und gegebenenfalls
entsprechende Steuerungsmaßnahmen durch Einflußnahme auf das Brennstoff-Luftmengenverhältnis
einleiten kann. Da die Entstehung der für die SauerstSfaktivität repräsentativen
Spannungen auf Polarisationseffekten an der Oberfläche des sauerstoffionenleitenden
keramischen Festkörpers beruht, folgt diese Spannung praktisch unmittelbar jeder
Anderung des Sauerstoffgehaltes. Jedenfalls liegen alle derartigen Spannungsänderungen
im Bereich von Millisekunden, nach dem der Sauerstoffgehalt sich geändert hat.
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Sauersoffionenleitende keramische Festkörper der erfindungsgemäßen
Art
sind an sich bekannt. Sie bestehen z.B. aus mit Kalziumoxid stabilisiertem Zirkondioxid,
das z.B. in Form von einseitig geschlossenen Rohren dicht gesintert worden ist.
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An der eigentlichen Meßstelle, meist dem einseitig geschlossenen Ende
dieser Rohre, sind sie in an sich bekannter Weise mit porösen Platinelektroden verstehen,
von denen Platindrähte die elektrische Spannung ab zugreifen gestatten. Der Innenseite
dieser einseitig geschlossenen Rohre kann in ebenfalls bekannter Weise Luft z<ugeführt
werden, um den Vergleichs sauerstoffgehalt konstant zu halten.
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Da sich das Ende einer Flamme meistens bewegt und der Verbrennungsvorgang
auch nicht in jedem Fall am durch sein Leuchten erkennbaren Ende der Flamme abgeschlossen
ist, muß das Bestimmen des genauen Ortes für die Anordnung des Detektors im Einzelfall
durch Verschieben im Bereich des sichtbaren Flammenendes erfolgen. Versuche haben
gezeigt, daß es bei sehr unterschiedlichen Größen von Brennern und auch bei verschiedenen
Leistungsstufen des gleichen Brenners stets eine einzige Stellung gibt, die für
den Verbrennungszustand des Brenners und damit für seinen Kohlenmonoxidgehalt hinreichend
repräsentativ ist und gleichzeitig eine Anzeige von mehr als lOmV gewährleistet,
falls der Verbrennungszustand vom gewünschten Wert abweicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen und/oder Steuern des Kohlenmonoxidgehaltes
kann einmal dazu benutzt werden, den Kohlenmonoxidgehalt der Flamme über längere
Zeit zu verfolgen.
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Nutzt man nur die drastische Spannungsänderung aus, die, wie in Figur
2 gezeigt ist, beim Umschlag vom oxidierenden zum reduzierenden Verbrennungszustand
entsteht, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Notabschalteinrichtung benutzt
werden.
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Sie kann jedoch auch zum Steuern des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses
ausgenutzt werden, sofern man die Spannungsänderungen am Detektor auswertet, solange
noch ein Sauerstoffüberschuß vorhanden ist. In diesem Fall wird die vom Detektor
gelieferte elektrische
Spannung einem Steuerglied zugeIuhrt, durch
welches das Brennstoff-Luftmengenverhältnis so eingestellt wird, daß der günstigste
Verbrennungszustand aufrechterhalten wird.
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Die Wahl des Ortes der Anordnung des Detektors ist in den Fällen erheblich
erleichtert, in denen der Brenner eine eigene Brennkammer enthält. In diesen Fällen
wird der Detektor am Ausgang der Brennkammer des Brenners angeordnet.
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Die Detektoren, wie sie für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen vorgesehen
werden, die einen sauerstoffionenleitenden keramischen Festkörper enthalten, müssen
sich für ihre einwandfreie Funktion auf einer Temperatur von mehr als 5000C befinden.
Dies wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Brenners kurze Zeit nach seiner
Inbetribnahme stets der Fall sein. Soll jedoch auch während einer Anfahrperiode
des Brenners sichergestellt sein, daß keine Verbrennungszustände auftreten, bei
denen Kohlenmonoxid im Verbrennungsprodukt auftritt oder auftretendes Kohlenmonoxid
vorgegebene Mengen nicht überschreitet, so kann der Detektor mit einer Zusatzheizung
versehen werden, die ihn stets auf einer Temperatur oberhalb 5000C hältO Soll dies
auch bei erster Inbetriebnahme des Brenners gewährleistet sein, so muß ein Verzögerungsglied
vorgesehen werden5 das die Brennstoff- und/oder Luftzufuhr erst freigibt, nachdem
der sauerstoffionenleitende keramische Festkörperdetektor seine Betriebstemperatur
erreicht hat. Als Explosionssehutz kann ein Drahtnetz angeordnet werden, das alle
beheizten Teile des Detektors umgibt.
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Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreichten Vorteile sind
primärer und sekundärer Art. Primär wird der Kohlenmonoxidgehalt im Abgas auf jeden
gewünschten Wert herabgesetzt. Dies ergibt einige sekundäre entscheidende Vorteile:
Durch das Vermeiden des Auftretens von Verbrennungszuständen, bei denen Kohlenmonoxid
im Verbrennungsgas enthaltgn ist, wird auch die Bildung weiterer Schadstoffe weitgehend
vermieden
oder kann in engen Grenzen erheblich genauer als bisher eingeregelt werden. Hier
wirkt sich besonders die Vermeidung praktisch jeglicher Tod zeit zwischen einer
Erfassung der Änderung des Verbrennungsvorganges und seiner Ausregelung günstig
aus. Dies hat entscheidende Vorteile für die Umweltbelastung durch die Verbrennungsgase.
Darüber hinaus jedoch läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch eine
erhebliche Energieeinsparung erzielen. Zum sicheren Vermeiden des Auftretens größerer
Mengen von Kohlenmonoxid im Verbrennungsgas mußte man nämlich bisher mit einem erheblichen
Luftüberschuß fahren. Durch die zuverlässige und erheblich genauere Einhaltung gewünschter
Verbrennungszustände ist es möglich die Brennstoff-Luftmengenvernältnisse erheblich
näher an den optimalen Verbrennungszustand heran zu nehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Figur
3 für den Fall eines Brenners, der mit einer Brennkammer ausgerüstet ist, dargestellt:
Darin bedeuten 1 und 2 die Brennstoff- bzw. Luftzufuhrleitungen, 3 die Aggregate
zum Einstellen des Brennstoff-LuStmengenverhältnisses, 4 und 5 die Leitungen, die
den Brennstoff bzw. die Luft dem Brenner 6 zuführen. Mit 7 ist die Brennkammer des
Brenners bezeichnet, mit 8 der eigentliche Brennraum und mit 9 der Abzugskanal für
die Verbrennungsgase. 10 bezeichnet den sauerstoffionenleitenden keramischen Festkörperdetektor
mit seiner Halterung und gegebenenfalls Heizung, Mit 11 ist die Leitung gekennzeichnet,
durch die das elektrische Signal des Detektors einem Anzeige-oder Meßwertverarbeitungsgerät
12 zugeführt wird. Zum Steuern des Kohlenmonoxidgehalts an den Flammen und/oder
den Ver brennungsprodukten wird das Brennstoff-Luftmengenverhältnis über die Leitung
13 durch das Meßwert-Verarbeitungsglied 12 beeinflußt, Beim Versuchsbetrieb einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung war es bei ununterbrochenem mehrtägigem Betrieb möglich,
das Auftreten von Kohlenmonoxid vollständig zu vermeiden,obgleich Gase unterschiedlicher
Herkunft und Zusammensetzung benutzt wurden und der Feuchtegehalt der Verbrennungsluft
durch Einblasen zerstäubten Wassers in weiten Grenzen verändert wurde.
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Dabei war der Brenner auf einen Lufüberschuß von nur 0,5 % eingestellt.
Die Messung des Kohlenmonoxidgenaltes erfolgte dabei unabhängig von dem erfindungsgemäß
angeordneten Detektor durch Entnahme einer Gasprobe über eine Rohrleitung, wobei
die Entnahmeöffnung dicht neben dem Detektor angeordnet war.
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Dies Versuchsergebnis bestätigt die Vorteile dieser Vorrichtung, die
sich übrigens noch durch besondere Einfachheit und damit naturgemäß Störunempfindlichkeit
auszeichnet.