DE3034667A1

DE3034667A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des brennwertes eines brennstoffs

Info

Publication number: DE3034667A1
Application number: DE19803034667
Authority: DE
Inventors: Klaus Fritz North Riding Randburg Transvaal Ludwig
Original assignee: DIGITAL DATA SYSTEMS
Current assignee: DIGITAL DATA SYSTEMS
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1980-09-13
Publication date: 1981-04-16
Also published as: DE3034667C2; GB2059585B; AU6248780A; CA1158892A; US4306452A; GB2059585A; AU541739B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung, des Brennwertes eines Brennstoffes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des oberen Heizwertes von festen oder flüssigen Brennstoffen.

Kalorimetrische Messungen wurden für viele Jahre mit Hilfe von adiabatischen oder isothermischen Bomben-Kalorimeter-Systemen durchgeführt. Beide Systeme verwenden eine abgedichtete Bombe, in der eine Probe des zu testenden Materials in einer Sauerstoffatmosphäre unter Hochdruck verbrannt wird. Die Bombe wird in Wasser eingetaucht, das in einem kalorimetrischen Gefä'3 gehalten wird, und. das Wasser, wird kontinuierlich mit Hilfe einer Rühreinrichtung zirkuliert. Die Wasser? temperatur wird kontinuierlich oder periodisch gemessen..... Bei dem isothermischen System ist das Gefäß innerhalb eines Mantels mit umgerührtem Wasser angeordnet, von dem es. durch einen Luftzwischenraum isoliert ist, und die Temperatur., des Wassers . in. dem Mantel wird konstant gehalten. Bei, dem adiabatischen System ist das.Gefäß in einem ähnlichen Wassermantel angeordnet,, es.sind jedoch Steuereinrichtungen y.Q.r- . gesehen, um. die Temperaturen des Wassermantel s ..und des Qefäßes im wesentlichen konstant zu halten, d.h. unter adia-

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batischen Bedingungen.

In jedem Fall ist die Wärmekapazität des kalorimetrischen Gefäßes, das das Wasser und die Bombe enthält, beachtlich, und dies verlängert im beachtlichen Ausmaß die für eine kalorimetrische Bestimmung erforderliehe Zeit. Die Systeme sind darüber hinaus Fehlern unterworfen, die mechanisch eingeführt werden, beispielsweise durch die Umrühreinrichtung in dem kalorimetrischen Gefäß, die eine variierende Geschwindigkeit besitzen kann und auf das Wasser aufgrund von Reibungseffekten Wärme überträgt. Bei den bekannten Kalorimetern sind die Umrühreinrichtungen wesentlich, da in den Wassermänteln notwendigerweise eine gleichförmige Temperatur vorhanden sein muß.

Eine volle Diskussion der z.Zt. bei kalorimetrischen Bestimmungen verwendeten Verfahren ist in einem Buch enthalten, das von dem südafrikanischen Standard-Büro veröffentlicht ist, und den Titel "Standard Methods Sabs Method 929" trägt und dessen internationale Standard-Buchnummer 0-626-04686-6 lautet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung von Brennwerten zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Brennwertes eines Brennstoffs unter Verwendung einer kalorimetrischen Bombe, die ein Gehäuse mit einer Brennkammer aufweist, in der eine Probe des Brennstoffs verbrannt wird, vor, bei der der Brennwert des Brennstoffes aus Temperaturmessungen des Gehäuses über eine Zeitspanne bestimmt wird. Das Wesen der Erfindung liegt in der Tatsache, daß die Temperatur des Gehäuses direkt gemessen wird, im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, die Temperatur des Wassers in einem Mantel zu me-ssen, in den das Gehäuse eingetaucht ist.

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Dieses Merkmal verringert die thermische Trägheit des Systems und dadurch die für eine Brennwertbestimmung erforderliche Zeit.

Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Verbrennung der Probe die stabilisierte Temperatur des Gehäuses gemessen, elektrisch eine bestimmte Wärmeenergie in das Gehäuse eingeführt, die sich ergebende Temperaturänderung in dem Gehäuse gemessen und das Wärmeäquivalent der kalorimetrischen Bombe dadurch bestimmt, daß die stabilisierte Temperatur mit der Temperaturänderung über eine Zeitspanne verglichen wird.

Auf diese Art wird das Wärmeäquivalent oder die Wärmekapazität des Gehäuses für Eichungszwecke bestimmt. Daher besteht im Gegensatz zu den bekannten Kaiibrierungsverfahren keine Notwendigkeit, eine Standardprobe, beispielsweise von Phenylameisensäure ,iη der Brennkammer für Kalibrierungszwecke zu verbrennen.

Das Gehäuse kann zwischen der Verbrennung aufeinander folgender Proben in jeder geeigneten Art gekühlt werden.

Wenn es jedoch beispielsweise zur Kühlung in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, so ist es wesentlich, das Gehäuse vollständig zu trocknen, so daß dessen Wärmekapazität nicht von an dem Gehäuse anhaftenden Flüssigkeitstropfen beeinträchtigt wird. Probleme dieser Art können erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß die kalorimetrische Bombe nach dem Verbrennen einer Probe mit Hilfe des Peltier-Effektes gekühlt wird. Dazu wird das geheizte Gehäuse in thermischem Kontakt mit einem Peltier-Element gebracht, durch das ein Strom fließt. Die wärmere Komponente des Peltier-Elementes kann mit Hilfe beispielsweise eines Luftoder Wasserstromes gekühlt werden.

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Die Erfindung .schlägt weiterhi η. eiji.e Vorrichtung zur Be- Stimmung des Brennwertes eines Brennstoffs mit. einer kal-p-_: riemetrisehen Bombe, die ein Gehäuse mit einer Brennkammer aufweist» in der eine Probe des Brennstoffs .verbrannt -wird;.· vor, die eine Einrichtung zur Messung der Temperatur .des Gehäuses über eine Zeitspanne aufweist, um dadurch den . Brennwert des Brennstoffs zu bestimmen.

Vorzugsweise enthält das Gehäuse einen Körper, in dem die Kammer gebildet ist, sowie einen Mantel, der aus einem _: thermisch leitenden Material besteht und in engem thermischem Kontakt mit dem Körper steht.

Der Körper kann aus rostfreiem Stahl bestehen, der der Bombe die notwendige Festigkeit verleiht, um den während der Verbrennung auftretenden hohen Drücken zu widerstehen, und der Mantel kann eine relativ dünne äußere Hülse sein.

Es ist jedoch unter bestimmten Umständen möglich, daß der Mantel aus einem Material wie beispielsweise .Kupfer besteht und die Hauptmasse des Gehäuses darstellt,, wobei der Körper im wesentlichen aus einer Beschichtung, aus einem korrosions- und hitzebeständigen Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, besteht und die Brennkammer, bildet.

Allgemein gesagt, mac.ht die Verwendung zweier Komponenten für das Gehäuse es relativ leicht, die Temp.eraturraeß.e.i.nrichtung in dem Gehäuse anzuordnen. Wäre beispielsweise das Ge--= häuse vollständig aus rostfreiem Stahl hergestellt, würde es schwierig sein, geeignete Formationen in dem Gehäuse . für die Temperaturmeßeinrichtungen zu bilden. Wenn a.ndererseits das Gehäuse nur aus Kupfer bestehen würde , das- sich .<· relativ leicht bearbeiten läßt, würde es nur eine .,geringe. Widerstandskraft gegenüber Korrosion besitzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher

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der Körper mit einer Vielzahl von Nuten gebildet, die von dem Mantel abdeckbar sind, und die TemperaturmeBeinrichung weist eine Vielzahl von in den Nuten angeordneten Temperaturfühlern bzw. Sensoren auf.

Zum Zwecke der Kalibrierung der Bombe, d.h. zur Bestimmung ihrer wirksamen Wärmekapazität, kann eine elektrische Heizeinrichtung in dem Gehäuse zu dessen Beheizung angeordnet sein.

Die kalorimetrische Bombe kann in einem isothermischen oder adiabatischen Gehäuse verwendet werden. Es wird jedoch vorzugsweise ein thermisch-statischer Mantel verwendet, daher schlägt die Erfindung eine Verkleidung für die Bombe aus wärmeisolierendem Materia¹ vor, beispielsweise aus Polystyrol.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung

ergeben sich aus den Ansprüchen, der folgenden Beschreibung

einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 schematisch eine Möglichkeit zur Kühlung der kalorimetrischen Bombe.

Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine kalorimetrische Bombe 10, eine wärmeisolierende Umkleidung 12 aus Polystyrol und einen Meßwertanzeiger14

Die Bombe 10 enthält ein Gehäuse 16, in dem eine Brennkammer

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gebildet ist. Das Gehäuse 16 enthält einen Körper 20 aus rostfreiem Stahl mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten 22, die in der äußeren Oberfläche eingearbeitet sind, sowie eine dicht aufgepaßte Kupferhülse24, die den Körper 20 umgibt und in engem thermischem Kontakt mit diesem steht.

Ein Deckel 26 aus rostfreiem Stahl, der eine Sauerstoffeinlaßverbindung 28 und zwei isolierte Elektroden 30 und aufweist, wird verwendet, um die Kammer abzudichten. Die Elektroden verlaufen in die Kammer 18, und ein Tiegel 34 aus rostfreiem Stahl wird von der Elektrode 32 gehaltert. Ein Schmelzdraht 36 erstreckt sich zwischen den Elektroden in den Tiegel 34. Gegenüber dem Tiegel ist ein Schild 38 angeordnet.

Ein Ring 40 aus Aluminiumbronze ist in den Körper 20 eingeschraubt, um den Deckel 28 in seiner Stellung zu halten. Temperatursensoren 42, beispielsweise Haibleiter-oder PIatinwiderstandstypen, sind in einigen der Nuten 22 angeordnet, d.h. zwischen dem Körper 20 und der Hülse 24 und in gutem thermischem Kontakt mit dem Körper. Die Sensoren sind mit Anschlüssen 44 an der Außenseite des Bombengehäuses verbunden, und wenn die Bombe in der Verkleidung 12 angeordnet ist, kontaktieren die Anschlüsse 44 entsprechende Anschlüsse 46 an der Verkleidung 12, die mit dem Datenmeß- bzw. Anzeigegerät 14 verbunden sind.

Elektrische Heizelemente 48 sind in den übrigen Nuten 22 angeordnet. Diese Elemente enden in Kontakten 50, die

mit entsprechenden Kontakten 52 an der Verkleidung12 in Eingriff bringbar sind, die ihrerseits durch einen Energiemesser 54, beispielsweise ein Wattmeter, mit einer elektrischen Quelle 56 verbindbar sind. Die Kontakte 46 und sind in Praxis derart ausgebildet, daß Wärmeleitungsverluste durch sie minimiert sind.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anfangs folgendermaßen kalibriert, indem ihre Wärmekapazitat oder ihr Wärmeäquivalent bestimmt werden.

Die Bombe wird ohne Probe in dem Tiegel 34 in die Verkleidung12 eingesetzt, die abgedichtet wird. Das System ist in der Lage, in thermisches Gleichgewicht zu gelangen, wobei dies durch Messen der Temperatur der Bombe mit Hilfe der Sensoren 42 überprüft wird. Die von den Sensoren angezeigten Temperaturen werden mit Hilfe der Datenmeßeinrichtung 14 aufgezeichnet oder überwacht, und wenn konstante Temperaturbedingungen erreicht sind, wird die Quelle 56 dazu verwendet, in die Heizelemente 48 eine vorbestimmte Energiemenge einzubringen, die mit Hilfe des Energiemessers 54 gemessen wird. Der sich ergebende Temperaturanstieg der Bombe wird automatisch mit Hilfe der Sensoren 42 gemessen und von dem Datenmeßgerät aufgezeichnet. Wenn wieder thermische Stabilität erreicht ist, wird der Temperaturanstieg, d.h. die Differenz zwischen der Anfangsund der Endtemperatur, dazu verwendet, die effektive Wärmekapazität zu berechnen, die in Standardeinheiten, beispielsweise Joule pro Grad Kelvin ausgedrückt wird.

Dieser Kalibrierungsprozeß kann mit Leichtigkeit und schnell ausgeführt werden, im wesentlichen deshalb, weil er elektrisch durchgeführt wird, im Gegensatz zu dem standardisierten Phenylameisensäureverfahren, siehe beispielsweise das oben erwähnte Buch von SABS.

Die Bombe wird zu ihrem Gebrauch dadurch vorbereitet, daß eine Probe bekannter Masse des zu testenden Brennstoffes in den Tiegel 34 eingesetzt wird, wobei der Schmelzdraht 36 in die Probe hineinreicht. Eine geringe Menge Wasser wird in die Kammer hinzugefügt und die Vorrichtung dann zusammengesetzt .

Eine Unterlegscheibe 60 aus geeignetem druckdeformierbarem wärmeleitenden Material wird zwischen den Körper 20 und den Deckel 26 eingelegt und festgeklemmt, um eine gute Wärme-

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Übertragung zwischen diesen Teilen zu gewährleisten. Anschließend wird die Kammer durch die Verbindung 28 mit Sauerstoff bis zu einem Druck von etwa 30 atü gefüllt.

Anschließend wird die Bombe in die Verkleidung 12, wie in Fig.1 dargestellt, eingesetzt. Die von den Sensoren 42 gemessene Temperatur des Gehäuses 16 wird von der Datenmeßeinrichtung 14 aufgezeichnet ,und wenn thermische Stabilität erreicht ist, wird die Bombe automatisch gezündet, indem ein elektrischer Impuls in den Schmelzdraht 36 geleitet wird. Die Probe zündet dann in der gesättigten Sauerstoffatmosphäre, um vollständig zu verbrennen. Die Temperatur des Körpers 20 steigt an, und die Kupferhülse 24, die in hohem Maße wärmeleitend ist, hilft mit, die Temperatur über die äußere Oberfläche des Körpers 20 auszugleichen, wo die Sensoren 42 angeordnet sind. Die thermische Trägheit des Systemes ist in beachtlichem Ausmaße verringert im Vergleich zu den bekannten Geräten, da die Schnittstellen zwischen der Bombe und der Wasserhülse und zwischen der Wasserhülse und ihrem Behälter beseitigt sind. Daher steigt die Temperatur schneller an und wird die thermische Stabilität in einer kürzeren Zeit erreicht. Der von den Sensoren gemessene Temperaturanstieg wird,wie oben beschrieben ,mit Hilfe des Datenaufzeichnungsgerätes 14 überprüft und aufgezeichnet.

Die wirksame Wärmekapazität der Anordnung, die vorher während der Kalibrierung bestimmt wurde, wird mit dem durch die verbrannte Probe erzeugten Temperaturanstieg multipliziert, um die gesamte während der Verbrennung der Probe freigegebene Wärmemenge zu errechnen.

Wie beispielsweise in dem oben genannten SABS-Buch beschrieben, werden anschließend Korrekturf 2ktore"n, die Schwefelsäure- und SaIpetersäurefaktcren, die Hitze von dem Schmelzdraht und andere Parameter berücksichtigen, ange-

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wendet, um den oberen Heizwert der Probe zu bestimmen.

Das Kalorimeter wird anschließend aus der Verkleidung 12 herausgenommen und gereinigt. Das Kalorimeter kann auch gekühlt werden. Dies kann auf die schematisch in Figur 2 dargestellte Art geschehen. Die erhitzte kalorimetrische Bombe 10 wird in thermischen Kontakt mit einem Peltier-Element gebracht und Strom aus einer Quelle 64 wird durch das Element geleitet. Ein Luft- oder Wasserstrom 66 wird auf die heißere Komponente des Peltier-Elementes geleitet, um diese zu kühlen, Dieses Verfahren vermeidet die bei Wasserkühlung des Kalori-· meters auftretenden Probleme, insbesondere die Notwendigkeit, sicherzustellen, daß alle Wassertropfen von dem Kalorimeter entfernt werden. Als eine Alternative kann das Kalorimeter auch dadurch gekühlt werden, daß ein Luftstrom von einem Ventilator über die Bombe geleitet wird.

Die kalorimetrische Bombe nach der Erfindung kann selbstverständlich auch in einem herkömmlichen isothermischen oder adiabatischen System verwendet werden. Eine derartige Verwendung zieht jedoch die Verwendung einer Temperatursteuereinrichtung nach sich. Die Verwendung der thermisch statisch isolierenden Verkleidung 12, die einem hochwirksamen isöthermischem System äquivalent ist, vermeidet den Gebrauch derartiger Steuereinrichtungen.

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Zusammenfassung

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des 'Brennwertes eines Brennstoffs.

Eine kalorimetrische Bombe (10) besitzt ein Gehäuse (16) mit einem Körper (20) aus rostfreiem Stahl, in dem eine Brennkammer (18) gebildet ist, und mit einer dicht aufgepaßten Kupferhülse (24), die die Temperatur des Gehäuses(16) ausgleicht.

Die von der Verbrennung einer Probe in der Brennkammer (18) verursachte Temperaturänderung der Bombe (10) wird mit Hilfe von Sensoren (42) zwischen dem Körper und der Hülse gemessen. Dies minimiert die thermische Trägheit der Bombe. Die Bombe wird in einer statischen thermischen Verkleidung(12) angeordnet und ggf. mit Hilfe eines Peltier-Elementes (62) gekühlt.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1- Verfahren zum Bestimmen des Brennwertes eines Brennstoffs unter Verwendung einer kalorimetrischen Bombe, die ein Gehäuse mit einer Brennkammer aufweist, in der eine Probe des Brennstoffs verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gehäuses (16) über eine Zeitspanne gemessen und daraus der Brennwert des Brennstoffs bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verbrennung der Probe die stabilisierte Temperatur des Gehäuses (16) gemessen, elektrisch eine bestimmte Wärmeenergie in das Gehäuse eingebracht, die sich ergebende Temperaturänderung des Gehäuses (16) gemessen und das Wärmeäquivalent der kalorimetrischen Bombe (10) dadurch bestimmt wird, daß die stabilisierte Temperatur mit der Temperaturänderung über eine Zeitspanne verglichen wird.
3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß nach Verbrennung der Probe die kalorimetrische Bombe (10) unter Ausnutzung des Peltier-Effektes gekühlt wird.
4. Vorrichtung zur ßesti \nung des Brennwertes eines 3renns "offs, ^rm t einer ka 1 . -Mmetri sehen Bombe, die ein Gehäuse mit einer Brennkammer für eine Probe des Brennstoffs aufweist, gekennzeichnet durch eine Einri chtungl' 14, 42) zur Messung der Tempera"-.' des Gehäuses (16) über eine Zeitspanne zur Bestimmung des Brennwertes des Brennstoffs.
5. Vorrichtung -ach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (14,42) mit elektrischen Anschlüssen (44-' an der AuiSens.-ite des Gehäuses (16) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Ansprach 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) einen Körper (20),in dem die Kammer _K18) gebildet ist, und einen Mantel (2-iy aufweist, der aus einer; thermisch leitenden Material besteht und in engem thermiscnen Kontakt mit dem Körper (20) steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinrichtung (14,42) zwischen dem Körper(20) und dem Mantel (24) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dai3 der Körper (20) mit einer Vielzahl von Nuten (22) gebildet ist, die von dem Mantel '24) abgedeckt sind, und daß die Tempera turireßeinrichtung eine Vielzahl von in den Nuten (22) angeordneten Temperaturfühlern (42) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch eine in dem Gehäuse (16) zu dessen Beheizung angeordnete elektrische Heizeinrichtung (48).

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 ^{κ Ί}" s 9, gekennzeichnet durch eine Verkleidung (12) aus wärmeisolierendem Material, in der die kalorimetrische Bombe(10) angeordnet ist.

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BAD ORIGINAL