DE2747619C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen eines gasförmigen Fluids, bei dem aus einem unter Saugdruck beförderten ersten Fluidstrom ein zweiter Fluidstrom stromoberhalb der Saugdruckerzeugungsslelle abgezweigt, über ein Meßelement geleitet und in den ersten Fluidstrom zurückgeleitet wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der eine erste Rohrleitung für den ersten Fluidstrom einen Eduktor zwischen ihrem Einlaß- und ihrem Auslaßteil aufweist und eine zweite Rohrleitung für den zweiten Fluidstrom mit ihrem Einlaß- und ihrem Auslaßteil stromoberhalb des Eduktors an dev ersten Rohrleitung angeschlossen ist und das Mcßelcment aufweist.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind der GB-PS 14 06 347 als bekannt zu entnehmen. Im bekannten Falle ist der erste Fluidslrom der Hauptstrom, aus dem eine Probe zur Untersuchung über die zweite Rohrleitung entnommen wird. Die erste Rohrleitung ist gerade und weist stromunterhalb der Proben-Entnahmestelle eine Saugvorrichtung auf, die eo den Häiiptstfom aufrechterhält, wenn in der ersten Rohrleitung Unterdruck herrscht, da der Auslaßteil der ersten Rohrleitung ins Freie mündet. Wenn hierbei der Eingangsdruck der ersten Rohrleitung, bei fest eingestellter Saugvorrichtung schwankt, ändert sich auch der h5 Probendurchfluß durch die zweite Rohrleitung. Dies führt zu einer Verfälschung des MeBcrgcbnisses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, das bzw. die weitgehend unabhängig von Schwankungen des Drucks des zu untersuchenden Gases arbeitet.

Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst daß der erste Fluidstrom in einer geschlossenen Schleife geführt wird.

Vorrichtungsgemäß besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß die erste Rohrleitung als Schleife ausgebildet ist, deren Enden an den Entnahmeraum anschließbar sind.

Hierbei bildet der erste Fluidstrom selbst einen Probenstrom, der dem zu untersuchenden Hauptvorrat oder Hauptstrom entnommen und in diesen zurückgeführt wird. Die Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende des ersten Fluidstroms bzw. der ersten Rohrleitungsschleife bleibt daher unabhängig von Druckschwankungen im Hauptvorrat oder -strom praktisch gleich. Infolgedessen wirken sich Druckschwankungen im Hauptvorrat oder Hauptstrom nicht auf die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluidstroms bzw. auf den Durchfluß durch die erste Rohrleitung und damit auch nicht auf den letztlich in der zweiten Schleife untersuchten Probenstrom aus.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g, I eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, die

Fig.2A, 2B und 2C noch stärker schematisierte Darstellungen des Gasanalysators nach F i g. 1 in drei Betriebsstellungen eines Ventils, das Ausblasluft steuert, ϊ

Fig.3 und 4 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der eründungsgemäßen Vorrichtung und

Fig.5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbt-ispiels der Erfindung in größerem Maßstab.

F i g. 1 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Gasanalysators 10 nach der Erfindung dar. Der Gasanalysator 10 weist grundsätzlich zwei Durchflußschleifen, das heißt eine eduktive Durchflußschleife 12 !■> und eine konvektive Durchflußschleife 14 auf.

Die eduktive Durchflußschleife 12 ist im wesentlichen eine kontinuierliche Rohrleitung mit einer 180°-Biegung in ihrem Mittelteil, so daß sie zwei im wesentlichen parallele offene Endteile oder Schenkel aufweist, das heißt einen Proben-Einlaßteil oder Prnben-E'inlaßschenkcl 16 und ein Rücklaufende oder Auslaßteil beziehungsweise Auslaßschenkel 18, für eine herkömmliche Befestigung in Fluiddurchfluß-Verbindung an einer Seite einer Kammer oder Rohrleitung 20, die das Gas oder die Gase enthält, aus dem beziehungsweise denen eine zu untersuchende Probe entnommen werden soll. In der eduktiven Durchflußschleife 12 ist ein Eduktor 22 stromunterhalb der Stelle angeordnet, an der die konvektive Durchflußschleife 14 an die eduktive Durchflußschleife 12 angeschlossen ist. An einer stromoberhalb vom Eduktor 22 und der konvektiven Durchflußschleife 14 liegenden Stelle ist ein Drehventil 24 und eine Aus- beziehungeweise Rückblasluft-Rohrleitung 26 angeschlossen. An einem Verbindungsblock J5 58 oder einer anderen Stelle ist ein Vibrator oder mechanischer Schüttler oder »Losklopfer« 27, zum Beispiel in einer pneumatischen oder anderen Ausführung, angeschlossen. Dieser Vibrator 27, der auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein kann, verhindert, daß sich Teilchen an der Innenseite der Probendurchflußrohrleitungen beziehungsweise des Rohrleitungskreises des Analysators 10 ansammeln, und bewirkt, daß sich angesammelte Teilchen aufgrund der Schwenkbewegung des Analysators 10 lösen. Ferner ist es günstig, wenn der Probendurchfluß in der eduktiven Durchflußschleife 12 kurzzeitig erhöht wird, so daß er etwa mit der oszillatorischen Bewegung des Analysators 10 zusammenfällt. Dies unterstützt das Lösen von Teilchen, die sich niedergeschlagen haben. Diese Erhöhung des Probendurchflusses kann durch Erhöhung des Durchflusses des Antriebsfluids zum Eduktor 22 bewirkt werden.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die konvektive Durchflußschleife 14 an einer stromoberhalb vom Eduktor 22 liegenden Stelle angebracht. Um eine vorbestimmte definierte kontinuierliche Gasströmung an der Gasmeßeinrichtung 28 vorbei zu erhalten, wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem Einlaßteil 30 und dem Auslaßteil 32 der Rohrleitungsschleife 14 durch ein Heizelement 34 ausgebildet;das um den Einlaßteil 30 herum angeordnet ist. Das Heizelement 34 wird in Abhängigkeit von der von einem Temperaturfühler 36 gemessenen Temperatur von einem Temperaturregler 38 so gesteuert, daß die Temperatur im Einlaßteil 30 b5 einen vorgewählten Wert, vorzugsweise im Bereich von etwa 316°C bis 982°C, beibehält. Das Heizelement 34 ist in einem Einschluß oder Gehäuse 40 angeordnet, um die höhere Temperatur hauptsächlich auf den Einlaßteil 30 zu beschränken und die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem tinlaßieil 30 und dem Auslaßteil 32 der Rohrleitungsschleife 14 aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise wird mithin die Temperatur des Einlaßteils 30 auf einem höheren Wert als die des Auslaßteils 32 gehalten. Obwohl zur Ausbildung der Temperaturdifferenz ein Heizelement dargestellt ist, ist es auch möglich, die Temperaturdifferenz durch Abkühlung des Auslaßteils 32 zu erzielen oder ihre Aufrechterhaltung /u erleichtern, um eine Konvektionsströmung zu erzielen.

Die dargestellte Meßeinrichtung 28 ist eine elektromechanische Keramik-Oxid-Zelle, die den Sauerstoff-Partialdruck der Probe mißt Die Meßeinrichtung enthält ein Rohr 42 aus einem Keramik-Oxid-Material mit einem geschlossenen Endteil 44 und einem offenen Endteil 46. Das Rohr 42 ist in dem Einlaßteil 30 so angeordnet, daß sein geschlossener Endteil 44 der Gasströmung entgegengerichtet und das offene Ende des Rohrs über die Dichtung 48 hinausragt. Die Innenseite des Rohrs 42 ist mit einet,: porösen elektrisch ieitfähigen Elektroden-Überzug 50 und die Außenseite des Rohrs 42 mit einem ähnlichen porösen elektrisch Ieitfähigen Elektroden-Überzug 52 versehen. Die Überzüge oder Elektroden 50 und 52 sind über einen Stromkreis 54 an ein Spannungsmeßgerät 56 angeschlossen, das die von der elektrochemischen Zelle erzeugte EMK anzeigt. Elektrochemische Zellen zum Messen eines Sauerstoff-Partialdrucks sind an sich bekannt und besonders für die vorliegende Vorrichtung geeignet. Ihre Wirkungsweise ist in den USA-Patentschriften 35 97 345,38 65 706 und 38 69 370 beschrieben, deren Offenbarungsinhalt in die vorliegende Beschreibung einbezogen wird.

Während des Betriebs des neuen Analysators wird eine Probe des zu analysierenden Gases oder der zu analysierenden Gase aus der Rohrleitung oder Kammer 20 in den Einlaßteil 16 der eduktiven Schleife 12 mittels des Eduktors 22 gesaugt. Während diese Probe die eduktive Schleife 12 durchläuft, wird ein kleiner Teil der Probe durch Konvektion in den Einlaßteil 30 der konvektiven Schleife 14 gesaugt, die mit der eduktiven Schleife 12 über den Verbindungsblock 58, der an einer stromoberhalb vom Eduktor 22 liegenden Stelle angeordnet ist, in Fluid-Durchflußverbindung steht. Während dieser kleine Teil der Probe an dem Meßelement 28 vorbeiströmt, wird der Sauerstoff-Partialdruck in ein elektrisches Signal umgeformt, das gemessen wird, um über einen entsprechenden Logikkreis den in der Probe enthaltenen Überschuß-Sauerstoff oder Überschuß-Brennstoff, der über den für eine stöchiometrische Verbrennung erforderlichen Anteil hinaus vorhanden ist, unmittelbar anzuzeigen. Der unt?!ⁱs;achte Teil der Probe wird dann in die eduktive Schleife 12 über den Auslaßteil 32 zurückgeleitet, in der er vom stromuntevhalb angeordneten Edukior 22 in die Kammer oder Rohrleitung 20 über den Auslaßteil zurückgeleitet werden kann. Da die Teile 16 und 18 an Stellen etwa gleichen Kammerdrucks einer Kammer angeschlossen sind, ist die Durchflußgeschwindigkeit beziehungsweise der Durchfluß der Probe durch die eduktive Schleife 12 weitgehend unabhängig von Schwankungen des Kammerdrucks. Wenn daher die gewünschte Durchflußgeschwindigkeit durch entsprechende Ausbildung der Betriebsparameter des Eduktors 22 einmal eingestellt ist, führt der Analysator 10 eine im wesentlichen kontinuierliche Analyse der gewünschten Zustände des Gases, dem eine Probe mit im

wesentlichen gleichbleibendem Durchfluß entnommen wird, durch, ohne daß eine Neueinstellung aufgrund von Änderungen des Kammerdrucks erforderlich ist.

Die Fig. 2Λ bis 2C zeigen verschiedene Stellungen des Ventils 24. In der Stellung nach F i g. 2A wird eine Probe entnommen. In der Stellung nach F i g. 2B ist das Ventil 24 im Gegenuhrzeigersinne gegenüber der Stellung nach F i g. 2A verdreht worden, so daß der Probenstrom unterbrochen ist und der stromoberhalb des Ventils 24 liegende Teil der Rohrschlcifc 12 mittels Druckluft, die über die Rohrleitung 26 zugeführt wird, ausgeblasen v/erden kann. In der Stellung nach F i g. 2C ist das Ventil 24 gegenüber der Stellung nach Fig. 2A im Uhrzeigersinn gedreht worden, so daß der Probenstrom unterbrochen ist und der stroiminieihalb vom Ventil 2Ί liegende Teil der induktiven Durchflußschleife 12 mittels der über die Rohrleitung 16 zugeführten Blasluft ausgeblasen werden kann. Diese Finrichtung ist in solchen Fällen zweckmäßig, in denen sich in den Rohrleitungen Teilchen aufgrund der Untersuchung von verschmutztem oder nassem Gas niederschlagen und schließlich den Analysator verstopfen würden. Stattdessen oder zusätzlich zu der Ausblaseinrichtung kann auch der erwähnte Vibrator oder mechanische Schüttler oder Losklopfer 27 verwendet werden.

Die F i g. 3 und 4 stellen Ausführungsbeispiele dar. die dann verwendet werden können, wenn die Probe an der Oberseite einer Kummer oder Rohrleitung 20 entnommen und zurückgeleitiM werden soll. Der wesentliche Unterschied der Aiisfiihrungsbeispiele nach den F i g. 3 und 4 gegenüber dem Ausfühningsbeispie! nach F i g. I ist mithin in der Lage oder Ausrichtung der eduktiven Schleife 12 zu sehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erstreckt sich die eduktive Schleife 12 im wesentlichen horizontal zur Kammer oder Rohrleitung 20. während die konvcktive Schleife 14 zur Unterstützung der Korivektionsströmung im wesentlichen vertikal angeordnet ist. Demgegenüber wird bei den Ausfiihrungsbeispieien nach den F i g. 3 und 4 eine im wesentlichen vertikale eduktive Schleife 12. um ihre Anbringung an der Oberseite der Kammer oder Rohrleitung 20 zu erleichtern, in Kombination mit einer im wesentlichen vertikalen konvektiven Schleife 14. die sich nach oben erstreckt. \ erwendet. Ansonsten sind die wesentlichen Bauteile des Ausführungsbeispiels nach F i g. I auch bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 3 und 4 vorgesehen, und auch ihre Wirkungsweise oder Betriebsart ist die gleiche, wie die des Ausführungsbeispiels nach F i g. I.

Fig. 5 stellt ein weiteres Ausfühmngsbeispiel dar. Auch hier sind wieder alle wesentlichen Bauteile in Aufbau und Wirkungsweise die gleichen wie die der vorhergehenden Beispiele. Es sollen daher nur die Unterschiede und/oder zusätzlichen Einzelheiten, die in Fig. 5. aber nicht in den Fig. 1 bis 4 dargestellt sind. beschrieben werden.

Ein wesentlicher Unterschied des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 gegenüber den vorhergehenden Ausführungsbeispieien besteht in der Verwendung einer Heizeinrichtung 60. bis an einem einteiligen Verbindungsblock 58' durch nicht dargestellte Mittel befestigt ist. Der Verbindungsblock 58' ist in der Weise mit Bohrungen versehen oder so hergestellt, daß er zumindes' den wesentlichen Teil der Rohrleitungen, wie die eduktive Schleife J2, aufnimmt oder bildet und die Möglichkeit bietet. Blasluft über die Rohrleitung 26 und Ansaugluft über die Rohrleitung 70 oder ein anderes Antriebsfluid zuzuführen und die konvektive Schleife 14 anzuschließen. Die am Verbindungsblock 58' angebrachte Heizeinrichtung 60 weist einen Block 62 aus vorzugsweise rostfreiem Stahl auf, der mit Konvek-

^r> tionsrippen 64 versehen und in der Weise aufgebohrt ist. daß er einen oder mehrere elektrische Heizeinsätze 66, die aus einer nicht dargestellten Stromquelle gespeist werden, aufnehmen kann.

Bei Benutzung des Analysators zur Untersuchung

ι eines nassen und verschmutzten Gases, zum Beispiel das Verbrennungsprodukt von hochschwefeliger Kohle, ist damit zu rechnen, daß erhebliche Mengen an Wasser und Schwefelsäure in Form von Dampf mit dem zu untersuchenden Gas in den Analysator gelangen. Wenn die Temperatur dieser normalerweise flüssigen Bestandteile in einem verhältnismäßig kühlen Bereich des Analysators unter deren Siedepunkt sinkt, kondensieren diese Bestandteile aus, so daß sich der im flüssigen Kondensat enthaltene Schmutz ansammeln und schließ-

> lieh die Analysatorkanäle verstopfen kann. Um diese Möglichkeit auszuschließen, wird die Heizeinrichtung 60 auf einer Temperatur von beispielsweise 260 C bis 316⁰C gehalten, so daß sie den metallischen Verbindungsblock 58' und alle mit der Gasprobe in Berührung

• stehenden Metallrohre durch Wärmeleitung und/oder Konvektion über den Siedepunkt der enthaltenen Dämpfe hinaus erwärmt. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Analysator 10, wie es durch die gestrichelte Linie in F i g. 5 angedeutet ist. vollständig in

' einem Gehäuse 68 eingeschlossen, um — neben anderen Vorteilen — die von der Heizeinrichtung 60 erzeugte Wärme im Gehäuse 68 zu halten.

Auch an dem aus Metall hergestellten Verbindungsblock 58 nach den Fig. 1, 3 und 4 kann eine

■ Heizeinrichtung, wie die Heizeinrichtung 60. befestigt sein, deren Wärme durch Wärmeleitung und/oder Konvektion übertragen wird, um ähnliche Vorteile wie die beschriebenen zu erzielen. Es ist aber auch möglich, eine andere oder ahnliche Heizeinrichtung zusätzlich zu

¹ oder anstelle der Heizeinrichtung 60 an anderer Stelle in einem Gehäuse 68. das den Analysator 10 irgendeinem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält, anzuordnen.

Bei dem Ausiurtrungsbeispiui nacii F i g. 5 'nai u«

drehbare Ventil 24' eine andere Durchlaßausbildung als

' das Ventil 24. weil es in anderer Weise im Verbindungsblock 58' relativ zur Blasluftleitung 26 und den die eduktive Schleife 12 aufweisenden Kanälen oder Rohrleitungen angeordnet ist. Dennoch wird bei einer Drehung des Ventils 24' um etwa 90° im Uhrzeigersinne (in der dargestellten Ansicht) der stromunterhalb liegende Eduktorteil der eduktiven Schleife 12 i'~d bei einer Drehung um 90° im Gegenuhrzeigersinne der siromoberhalb liegende Teil der Schleife 12 ausgeblasen. Ferner ist hier die konvektive Schleife 14 in diesem

• stromoberhalb liegenden Teil der Schleife 12 und nicht in dem stromunterhalb vom Ventil 24' liegenden Teil, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2A bis 2C. angeordnet. Außerdem weist die Konvektionsschleife 14 eine gemeinsame Einlaß- Auslaß-Ver-

' bindungs-Rohrleitung oder -kammer 72 an der Steile auf. an der sie an die eduktive Schleife 12 angeschlossen ist. Grundsätzlich wird jedoch bevorzugt daß der Einlaß- oder Proben-Entnahmeteil 16 und der Auslaßoder Rücklaufteil 18 der eduktiven Schleife 12 an solchen Stellen mii der Kammer oder Rohrleitung 20 verbunden sind, an denen der Druck in der Kammer oder Rohrleitung 20 im wesentlichen gleich oder nahezu gleich ist. Andernfalls kann der Analysator 10 auch

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etwas durchfluBempfindlich sein. Was die Ausrichtung jedoch nicht wesentlich weniger als 30° gegenüber der

der eduktiven Schleife 12 und der konvektiven Schleife horizontalen. Wenn es die Umstände erfordern, ist es

14 betrifft, so kann davon ausgegangen werden, daß die möglich, die konvektive Schleife 14 durch eine Schleife

Ausrichtung der -duktiven Schleife 12 nicht von mit erzwungenem Durchfluß oder eine erzwungene besonderer Bedeutung ist. da ihr Durchfluß erzwungen 5 Hilfsströmung zu ersetzen und dennoch einige der

und vom Eduktor 22 geregelt wird. Die konvektive erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Schleife 14 jedoch vertikal ausgerichtet, in jedem Falle

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Untersuchen eines gasförmigen Fluids, bei dem aus einem unter Saugdruck "> beförderten ersten Fluidstrom ein zweiter Fluidstrom stromoberhalb der Saugdruclcerzeugtingsstel-Ie abgezweigt, über ein Meßelement geleitet und in den ersten Fluidstrom zurückgeleitet wird, d α durch gekennzeichnet, daß der erste Fluidstrom in einer geschlossenen Schleife geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme und die Rückführung des ersten Fluidstroms an Stellen etwa gleichen Drucks i* erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Fluidströme erwärmt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach eine» der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine erste Rohrleitung für den ersten Fluidstrom einen Eduktor zwischen ihrem Einlaß- und ihrem Auslaßteil aufweist und eine zweite Rohrleitung für den zweiten Fluidstrom mit ihrem Einlaß- und ihrem Auslaßteil stromoberhaib des Eduktors an der ersten Rohrleitung angeschlossen ist und das Meßelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rohrleitung (12) als Schleife ausgebildet ist, deren Enden an den Entnahmeraum anschließbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dab Ein- und Auslaßteil (16,18) der ersten Rohrleitung(12) etwa^aralle! und.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorri·-Stung einen Rüttler J5 aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rüttler pneumatisch betreibbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eine Zunahme des Durchflusses in der ersten Rohrleitung (12) während des Rüttlerbetriebes durch Erhöhung des Antriebsfluid-Durchflusses zum Eduktor (22) bewerkstelligt

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßleil (30) und der Auslaßteil (32) der zweiten Rohrleitung (14) mit der ersten Rohrleitung (12) über eine gemeinsame Einlaß-Auslaß-Rohrleitung (72) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rohrleitung (14) mit der ersten Rohrleitung (12) durch einen Verbindungsblock (58,58') verbunden ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsblock (58') und alle daran angeschlossenen Rohrleitungen durch eine Heizeinrichtung (60) erwärmbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Gehäuse (68) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rohrleitung (12) ein Ventil (24, 24') aufweist, das so angeordnet und ausgebildet ist, daß es den ersten Fluidstrom sperrt und ein Ausblasfluid (26) wahlweise dem stromoberhalb oder stromunterhalb liegenden Teil der ersten Rohrleitung (12) zuführbar ist