DE2854577A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der temperatur in brennkammern oder anderen gasgefuellten kammern - Google Patents

Description

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Die kontinuierliche Messung hoher Temperaturen in Brennkammern und Reaktoren, deren Atmosphäre aggressiv ist oder einen hohen Feststoffanteil besitzt, bereitet bei Verwendung herkömmlicher Messverfahren mit Thermoelementen oder optischen Geräten zum Teil unüberwindliche Schwierigkeiten. Die wesentlichen Ursachen sind bei Thermoelementen Korrosion und Verschmutzung und bei optischen Geräten Verschmutzung, Wolken von Feststoffteilchen oder undurchsichtiger flüssiger Tröpfchen und die direkte Einstrahlung von Flammen. Die Folgen sind kurze Standzeiten der Primärgeber und wenig aussagefähige Messwerte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die kontinuierliche Betriebsüberwachung von Brennkammern, z.B. in Verkokungsöfen, oder von Reaktoren, z.B. in Kohlevergasungsanlagen, ein Temperatur-Messverfahren zu schaffen, das frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist.

Die Erfindung bedient sich der temperaturabhängigen akustischen Eigenschaften des Kamme rinner en. Sie schlägt vor, dass die Temperatur im Kammerinneren aus dem spektralen Verlauf des Schalldruckes in der Kammer bestimmt wird, indem der Schalldruck in der Kammer mit einem Druckaufnehmer erfasst wird und aus den Maxima des Schalldruckspektrums die Frequenzen einer oder mehrerer Eigenschwingungen ermittelt werden, die als Mass für die mittlere Temperatur im Kammer inner en "benutzt werden.

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Die Erfindung sieht ferner vor, dass eine oder mehrere Eigenfrequenzen des Kammer inner en mit jeweils zwei gegeneinander verstimmten elektrischen Filtern gemessen werden, deren Durchlassfrequenzen zu beiden Seiten der jeweiligen Eigenfrequenz liegen, und deren Aus gangs signal in einer Rechenschaltung zu einem temperatur-abhängigen Signal weiterverarbeitet werden.

Die akustische Anregung des Kamine rinner en kanä;. nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch eine zu diesem Zweck angebrachte Schallquelle, erfolgen.

Schliesslich kann durch Einbeziehung einer zusätzlichen Bestimmung der Kammer-Innentemperatur in die Signalverarbeitung auch ein Endsignal erzeugt werden, das ein Mass für die mittlere Normdichte oder für die mittlere Molmasse des Gases im Kammerinneren darstellt, wobei die akustische Anregung des Kammerinneren erforderlichenfalls durch eine zu diesem Zweck angebrachte Schallquelle erfolgt.

Das Gasvolumen im Innenraum einer Brennkammer oder eines Reaktors stellt - ähnlich der Luftsäule in einer Orgelpfeife - ein schwingungsfähiges System dar, das bestimmte akustische Eigenschwingungen mit den zugehörigen diskreten Eigenfrequenzen besitzt. Diese Eigenfrequenzen werden im wesentlichen bestimmt durch die geometrischen Abmessungen Li

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des Innenraumes und durch die Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das den Innenraum ausfüllt. Wegen der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur T des Gases besteht zwischen den Eigenfrequenzen fj und der Temperatur der Zusammenhang

¹I" Li

in dem fvt, die Normdichte des Gases bedeutet und i einen Index darstellt, der die Zuordnung zwischen Grundeigenfrequenz und zugehöriger geometrischer Abmessung Li kennzeichnet.

Wird ein solches System mit breitbandigem akustischen Rauschen angeregt, wie es in der Praxis durch Strömungs- und Flammenrauschen geschieht, so werden die spektralen Rauschanteile, die in der Nähe der Eigenfrequenzen liegen, durch Resonanzüberhöhung aus dem übrigen Rauschspektrum hervorgehoben. Die Folge davon ist, dass im Spektrum des Schalldruckes im Inneren von Brennkammern deutliche Maxima bei den Eigenfrequenzen des Innenraumes zu beobachten sind. Aus dem Schalldruckspektrum einer Brennkammer oder eines Reaktors lassen sich also einige ihrer Eigenfrequenzen und damit - bei bekannter Normdichte des Gases - nach der oben angegebenen Beziehung die mittlere Temperatur im Innenraum bestimmen.

Die Erfindung schlägt ferner eine Einrichtung zur Durchführung des

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vorbeschriebenen Verfahrens vor, die dadurch gekennzeichnet ist, dass an die Kammer ein Druckgeber mit zugehörigem Verstärker angeschlossen ist, dem ein Diskriminator mit Anzeiger und/oder Schreiber nachgeschaltet ist.

Eine Ausführungsform einer solchen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt.

Die Messeinrichtung besteht aus dem Druckgeber 1 zur Erfassung des Schalldruckes im Reaktor mit dem zugehörigen elektrischen Verstärker 2, zwei gegeneinander verstimmten Filtern 3 und 4, die nach Art des aus der Nachrichtentechnik bekannten Differenzdiskrimina tors zur Bestimmung der Frequenz des spektralen Schalldruckmaximums dienen sowie den zugehörigen Gleichrichtern 5 und 6, dem nachgeschalteten Dividiergerät 7, das aus den beiden Aus gangs Signalen der Gleichrichter ein temperatur analoges Signal bildet und dem Logarithmiergerät 8, das zur Linearisierung dieses Signals dient, das dann auf einem Anzeigeoder Schreibgerät 9 sichtbar gemacht wird. Der Druckgeber ist über eine schallabsorbierende Sonde 10 mit dem Reaktorinnenraum 11 verbunden, die mit bei 12 zugeführtem Stickstoff gespült wird.

Die Eignung des erfindungsgemässen Messverfahrens für die Praxis wurde durch einen Versuch an einem Kohlevergasungsreaktor mdustri-

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eilen Massstabs überprüft, an einem Reaktortyp, bei dem die Dauerüberwachung der Innentemperatur mit herkömmlichen Verfahren wegen des hohen Kohlenstaubanteils und der aggressiven Eigenschaften der flüssigen Schlacke grösste Schwierigkeiten bereitet.

Bei dieser Überprüfung zeigte eine Messeinrichtung nach dem oben be- ' schriebenen Prinzip bei Verwendung von Terzbandfiltern, wie sie in der akustischen Messtechnik gebräuchlich sind, eine Temperaturempfindlichkeit von etwa 6 dB pro 100 K bei einer absoluten Temperatur von etwa 1 650 K. Auf Störungen des Reaktorbetriebes reagierte die Einrichtung mit Ansprechzeiten von weniger als 15 Sekunden und Ein3tellzeiten von etwa 1 Minute .

Die Erprobung zeigte neben dem guten Wert für die Empfindlichkeit und der geringen Verzögerung, mit der die Einrichtung auf Betriebsstörungen reagierte, noch folgende Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens

Die zugehörige Messeinrichtung lässt sich aus preisgünstigen, handelsüblichen Geräten zusammenstellen.

Der Primärgeber kann auf einfache Art so mit dem Innenraum verbunden werden, dass er weder thermisch noch durch aggressive Medien im Innenraum beansprucht wird. Als Schutz gegen Verschmutzung reicht eine Spülung mit geringem Stickstoff strom aus.

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Das Aus gangs signal der Messeinrichtung ist ein Mass für das räumliche Mittel der Temperatur im Reaktor und wird durch die Wärmestrahlung von Flammen und durch Strahlungsabsorption von Schwebstoffen im Reaktor nicht beeinflusst .

Wegen dieser Vorteile ist das erfindungsgemässe Verfahren bevorzugt geeignet für die Temperaturmes seung in gas durchströmten Kammern hoher Innentemperatur und aggressiver oder stark verschmutzter Atmosphäre wie :

industrielle Brennkammern und Feuerungsräume, Heizzüge von Verkokungsöfen,
Kohlevergasungsreaktoren.

In Anlagen mit zahlreichen Temperaturmess stellen, z.B. für die Heizzüge einer Koksofenbatterie, ist der Einsatz der preisgünstigen Primär geber besonders vorteilhaft, da die weitere Signalverarbeitung über ein Multiplex-Verfahren erfolgen kann.

Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist jedoch nicht allein auf die Temperaturmessung beschränkt, vielmehr kann es wegen der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Normdichte des Gases im Reaktor auch zur Bestimmung der mittleren Normdichte oder der mittleren Molmasse des Reaktorinhalts angewendet werden, wenn die mittlere Reaktortemperatur mit herkömmlichen Methoden messbar ist.

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Claims (5)

Essen, den 8. Dezember 1978 N 4772/11 Vo/Wi. KRUFP-KOPPERS GMBH, Moltkestrasse 29, 4300 Essen Verfahren und Einrichtung zur Messung der Temperatur in Brennkammern oder anderen gasgefüllten Kammern. Patentansprüche :

1.) Verfahren zur Messung der räumlich gemittelten Temperatur im Inneren von Brennkammern oder anderen gasgefüllten Kammern oder Hohlräumen auf dem Wege über die temperatur abhängigen akustischen Eigenschaften des Kammerinneren, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Kammerinneren aus dem spektralen Verlauf des Schalldruckes in der Kammer bestimmt wird, indem der Schalldruck in der Kammer mit einem Druckaufnehmer erfasst wird und aus den Maxima des Schalldruckspektrums die Frequenzen einer oder mehrere Eigenschwingungen des Kammerinnenraumes ermittelt werden, die als Mass für die mittlere - Temperatur im Kammer inner en benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Eigenfrequenzen des Kammerinneren mit jeweils zwei gegeneinander verstimmten elektrischen Filtern gemessen werden, deren Durchlassfrequenzen zu beiden Seiten der jeweiligen Eigenfrequenz liegen, und deren Aus gangs signale in einer Rechenschaltung zu einem temperaturanalogen Signal weiterverarbeitet werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Anregung des Kammerinneren durch eine zu diesem Zweck angebrachte Schallquelle erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbeziehung einer zusätzlichen Bestimmung der Kammerinnentemperatur in die Signalverarbeitung ein Endsignal erzeugt wird, das ein Mass für die mittlere Normdichte oder für die mittlere Molmasse des Gases im Kammerinneren darstellt, -wobei die akustische Anregung des Kammerinneren erforderlichenfalls durch eine zu diesem Zweck angebrachte Schallquelle erfolgt.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-4,

dadurch gekennzeichnet, dass an die Kammer (11) ein Druckgeber (1) mit zugehörigem Verstärker (2) angeschlossen ist, dem ein Diskriminator mit Anzeiger und/oder Schreiber (9) nachgeschaltet ist.

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