-
Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Wassertaupunkts
-
in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch Die Erfindung bezieht
sich allgemein auf das technische Gebiet des Messens und Testens und betrifft insbesondere
ein neues und verbessertes Verfahren sowie eine neue und verbesserte Vorrichtung
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch.
-
In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben es Umweltrichtlinien, die
durch die Umweltschutzbehörde der Regierung der Vereinigten Staaten erlassen worden
sind und überwacht werden, für die Industrie zur Pflicht gemacht, die Menge verschiedener
Schmutzstoffe, die normalerweise in die Atmosphäre ausgestoßen worden waren, zu
beseitigen oder wesentlich zu reduzieren. Einer der bekanntesten Schmutzstoffe in
industriellen Abgasen, der beseitigt oder
wesentlich reduziert werden
soll, ist Flugasche oder Schwefeldioxid (SO2), und in herkömmlicher Technik konnte
dieser Schmutzstoff in solchen industriellen Abgasen mittels Trockenbeseitigungsverfahren,
bei denen Sprühtrockner benutzt werden, erfolgreich beseitigt oder wesentlich reduziert
werden. Bei dieser Technik wird ein dünnflüssiger Kalkschlamm, der Wasser und gelöschten
Kalk enthält, dem Sprühtrockner zugeführt, der den Kalkschlamm zerstäubt und in
den Rauchgasstrom abgibt, welcher das Schwefeldioxid enthält. Als Ergebnis dieses
Verfahrens wird Feststoffteilchenmaterial gebildet, das dann in ein herkömmliches
Sackhaus geleitet werden kann, in welchem das Feststoffteilchenmaterial in den verschiedenen
Filtersäcken, die das Sackhaus enthält, gesammelt wird. Das gesammelte Feststoffteilchenmaterial
kann selbstverständlich schließlich mittels irgendeines herkömmlichen Reinigungsverfahrens
beseitigt werden, das in Verbindung mit den Filtersäcken in dem Sackhaus angewandt
wird, beispielsweise durch Reinigen mittels eines umgekehrten Luftstroms, durch
Rüttel- oder Schüttelmethoden und dgl.
-
Der Betriebswirkungsgrad des vorgenannten Schwefeldioxidtrockenbeseitigungsverfahrens
basiert hauptsächlich auf zwei miteinander in Verbindung stehenden Faktoren, Parametern
oder Betriebskenndaten. Einerseits ist es äußerst erwünscht, die Menge an Wasser
zu maximieren und gleichzeitig die Menge an gelöschtem Kalk in dem Kalkschlamm,
der zerstäubt in den zu behandelnden Rauchgasstrom eingeleitet wird, zu minimieren.
Auf diese Weise werden die Betriebskosten, die sich durch die Kosten des Wassers
und des gelöschten Kalks ausdrücken, minimiert. Andererseits muß darauf geachtet
werden, daß der Volumenprozentsatz des Wassers in dem Schlamm begrenzt wird, um
die Kondensation des Wassers in den Filtersäcken im Sackhaus zu verhindern. Diese
Kondensation verursacht eine Koagulation mit dem Rauchgasstromteilchenmaterial,
durch die schließlich das Gewebe
der Filtersäcke verstopft und
das Reinigen der Filtersäcke extrem erschwert wird und häufig längere Betriebsstillegungen,
während denen die erforderlichen Reinigungsarbeiten ausgeführt werden, notwendig
werden. Solche Betriebsstilllegungen sind natürlich teuer.
-
Wenn der Volumenprozentsatz des Wassers in dem Kalkschlamm vergrößert
wird, wird die Temperatur des damit behandelten Rauchgasstroms sinken. Gleichzeitig
wird, wenn der Volumenprozentsatz des Wasserdampfes insgesamt ansteigt, der Taupunkt
des Gasstroms, welcher als die Temperatur definiert ist, bei der der Wasserdampf
in dem Gasstrom kondensieren wird, ansteigen. Falls die Taupunkttemperatur des Gasstroms
die Gasstromtemperatur übersteigt, wird es infolgedessen zur Kondensation des Wasserdampfes
in dem Gasstrom kommen.
-
Unter dem Betriebswirkungsgradgesichtspunkt ist es deshalb absolut
kritisch, in der Lage zu sein, den Taupunkt des Wasserdampfes in dem Teilchengasstrom
genau zu messen oder zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Temperatur des behandelten
Gasstroms als eine Funktion des Volumenprozentsatzes des Wassers in dem Kalkschlamm
so gesteuert werden, daß der Volumenprozent satz des Wassers in dem Kalkschlamm
maximiert werden kann und dabei die Temperatur des Gasstroms oberhalb des Wassertaupunkts
des Wasserdampf enthaltenden Gasstroms gehalten wird.
-
Es stehen selbstverständlich gegenwärtig herkömmliche Verfahren zum
Messen des Wassertaupunkts in Gasgemischen zur Verfügung, alle diese Verfahren haben
jedoch beträchtliche Nachteile. Beispielsweise werden zwar bereits Psychrometer
benutzt, ihre Verwendung beschränkt sich jedoch auf Verdunstungstemperaturen, die
unter dem Siedepunkt von Wasser (100 OC) liegen. Darüber hinaus können solche Geräte
nicht ohne weiteres in Gegenwart von Schwefeldioxid (SO2) oder Schwefeltrioxid (SO3)
eingesetzt werden. Ähnliche Nachteile sind für die bekannten Dünnfilmleitfähigkeits-,
Gesättigtes-Salz (LiC1)-, Kondensations (scharf abgekühlter
Spiegel)-,
elektrolytischen (P205) und Kapazitätsverfahren charakteristisch. Es werden auch
bereits Prallvorrichtungen benutzt, diese Vorrichtungen haben sich jedoch als besonders
manuell zeitraubend erwiesen und können nicht ohne weiteres automatisiert werden.
Schließlich scheint zwar das Infrarotverfahren, bei dem der Taupunkt aus Messungen
der Absorption von gewissen Infrarotwellenlängen durch Wasserdampf gewonnen wird,
eine anwendbare und zuverlässige Technik zu sein, die tatsächliche Implementierung
ist jedoch wegen der erforderlichen speziellen Instrumentierung ziemlich teuer und
verbietet sich deshalb unter Kostengesichtspunkten.
-
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes
Verfahren zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch
zu schaffen.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, das die verschiedenen Nachteile von herkömmlichen Taupunktmeßvorrichtungen,
-geräten und -verfahren beseitigt.
-
Ferner soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, das die genaue Messung oder Bestimmung des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf
enthaltenden besonderen Gasgemisch gestattet.
-
Außerdem soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, wobei die Temperatur des Gasgemisches in einem Bereich liegt, der Temperaturen
oberhalb von 100 OC, dem Siedepunkt von
Wasser bei einer Atmosphäre,
umfaßt.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messsen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, das über einem großen Temperaturbereich, beispielsweise von 0-537 OC (32-1000
OF) anwendbar ist.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, das durch das Vorhandensein von anderen kondensierbaren Komponenten innerhalb
des Gasgemisches, wie beispielsweise den Schwefeldioxid (SO2) und Schwefeltrioxid
(SO3) zugeordneten Säuren, nicht gestört wird.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf und andere kondensierbare Komponenten
enthaltenden Gasgemisch geschaffen werden, das zum Messen der verschiedenen Taupunkte
der kondensierbaren Komponenten innerhalb des Gasgemisches benutzt werden kann.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, bei dem eine Vorrichtung benutzt wird, die einen relativ einfachen Aufbau
hat.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch geschaffen
werden, bei dem eine Vorrichtung benutzt wird, die relativ billig herstellbar ist.
-
Schließlich soll durch die Erfindung eine neue und verbesserte Vorrichtung
geschaffen werden, die die Durchführung des vorgenannten neuen und verbesserten
Verfahrens zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch
gestattet und erleichtert.
-
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabenstellung schafft die Erfindung
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen desselben zum Messen des Wassertaupunkts
in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch, das gestattet, den Wassertaupunkt
in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch auf einfache Weise zu bestimmen. Wenn
ein Gasgemisch, das beispielsweise Wasserdampf enthält, durch eine rohrförmige Leitung
hindurchgeleitet wird und die Umgebung außerhalb der Leitung auf einer Temperatur
unterhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches gehalten wird, so daß das System,
das die rohrförmige Leitung und die Umgebung umfaßt, tatsächlich einen Wärmetauscher
darstellt, nimmt die Temperatur des Gasgemisches ab, wenn dieses sich durch die
Leitung hindurchbewegt, oder als Funktion der Verweilzeit des Gasgemisches innerhalb
der rohrförmigen Leitung, und zwar aufgrund des Wärmeverlustes des Gasgemisches
an die Umgebung, die sich außerhalb der rohrförmigen Leitung befindet. An einem
Ort innerhalb der rohrförmigen Leitung, betrachtet in der axialen Längsrichtung
der Leitung, der mit PO bezeichnet werden kann, erreicht die Temperatur des Gasgemisches
den Taupunkt des Wasserdampfes innerhalb des Gasgemisches, und stromabwärts dieses
Ortes PO ist die Gasgemischtemperatur unterhalb des Taupunkts. Stromaufwärts des
Ortes PO in der rohrförmigen Leitung bleibt der Wasserdampf in der Dampfphase, da
die Gasgemischtemperatur oberhalb des Wassertaupunkts ist, wogegen stromabwärts
des Ortes PO das Wasser in Form von sowohl Dampf als auch Flüssigkeit vorliegt,
und zwar wegen der einsetzenden Kondensation. Die Geschwindigkeit der Temperaturabnahme
oder des Temperaturabfalls des Gasgemisches in Abhängigkeit von der Länge
der
Bewegungsstrecke innerhalb der rohrförmigen Leitung nach dem Einsetzen der Kondensation
und deshalb stromabwärts des Taupunktortes PO ist kleiner als die entsprechende
Geschwindigkeit der Temperaturabnahme oder des Temperaturabfalls des Gasgemisches
als Funktion der Länge der Bewegungsstrecke innerhalb der rohrförmigen Leitung vor
dem Einsetzen der Kondensation und deshalb stromaufwärts des Taupunktortes PO, und
zwar wegen der latenten Kondensationswärme des Wasserdampfes sowie wegen der höheren
spezifischen Wärme des Wassers, wenn dieses in seiner flüssigen Phase ist, im Vergleich
zu dem Zustand, wenn es sich in seiner Dampfphase befindet. Das Verfahren und die
Vorrichtung nach der Erfindung messen oder bestimmen deshalb den Wassertaupunkt
des Gasgemisches als die Temperatur an dem Ort PO, wobei der Ort PO als derjenige
Punkt ermittelt wird, in welchem eine Diskontinuität in der Geschwindigkeit der
Temperaturabnahme oder des Temperaturabfalls als Funktion der Länge der Bewegung
des Gasgemisches innerhalb der rohrförmigen Leitung auftritt.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Wasserdampf
enthaltende Gasgemisch durch ein Rohr hindurchgeleitet, welches von einem Kühlfluid
umgeben oder in dieses eingetaucht ist, dessen Temperatur sich unterhalb der des
Wassertaupunkts des durch die rohrförmige Leitung strömenden Gasgemisches befindet.
Mehrere Thermoelemente sind gleichabständig über die Länge der rohrförmigen Leitung
verteilt angeordnet, so daß die The m elementverbindungen innerhalb der rohrförmigen
Leitung angeordnet sind, beispielsweise so, daß die Verbindungen in der Längsachse
der rohrförmigen Leitung angeordnet sind. Die Thermoelemente liefern Meßwerte der
Temperatur des Gasgemisches längs des Rohres an den verschiedenen Orten desselben
oder, mit anderen Worten, als Funktion der durch das Gasgemisch in der rohrförmigen
Leitung von deren Einlaßende aus zurückgelegten Strecke.
-
Die Temperaturwerte, die mit den Thermoelementen erzielt werden, werden
dann in einem Diagramm aufgetragen, und zwar entweder manuell oder mit Hilfe eines
Computers, und zwar als Funktion der Theunoelemententfernungen, die den besonderen
Temperaturwerten entsprechen, welche erhalten werden, wobei die Temperaturwerte
auf der y- oder Ordinatenachse des Diagramms aufgetragen werden, wogegen die Thermoelementorte
auf der x- oder Abszissenachse des Diagramms aufgetragen werden. Die Temperatur
des Gasgemisches wird sich auf fortschreitend abnehmende Weise mit zunehmender Entfernung
von dem Einlaßende der rohrförmigen Leitung verändern, und es wird auch beobachtet,
daß die Temperaturveränderung des Gasgemisches, wenn die Temperatur des Gasgemisches
oberhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches ist, anders ist als wenn die Temperatur
des Gasgemisches unterhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches ist. Die Steigungen
der Diagrammkurven der Temperaturwerte in Abhängigkeit von der Bewegungsstrecke
innerhalb der rohrförmigen Leitung werden also für diese Temperaturwerte oberhalb
und unterhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches unterschiedlich sein. Infolgedessen
tritt eine Diskontinuität an der Verbindung der zwei Diagrammkurven wegen der Differenz
in deren Steigungen auf, wodurch der Temperaturwert, der dem Diskontinuitätspunkt
der beiden aufgetragenen Kurven unterschiedlicher Steigung entspricht, als der Wassertaupunkt
des Gasgemisches gewonnen wird.
-
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein einzelnes
Thermoelement innerhalb der rohrförmigen Leitung, durch die das Gasgemisch hindurchgeleitet
wird, benutzt, und die Strömungsgeschwindigkeit des durch das Rohr strömenden Gasgemisches
wird verändert, wobei entsprechende Temperaturwerte mittels des Thermoelements für
jeden besonderen Strömungsgeschwindigkeitswert bestimmt werden. Eine grafische Aufzeichnung
der Temperaturwerte und der entsprechenden Atrömungsgeschwindigkeitswerte erfolgt
dann,
wobei die Temperaturwerte wieder auf der y-oder Ordinatenachse aufgetragen werden,
wogegen die Strömungsgeschwindigkeitswerte auf der x- oder Abszissenachse aufgetragen
werden. Das sich ergebende Diagramm enthält zwei unterschiedliche Kurven, die den
Temperaturwerten an dem Thermoelementort oberhalb und unterhalb des Wassertaupunkts
des Gasgemisches entsprechen, wodurch wieder die Wassertaupunkttemperatur als diejenige
Temperatur gewonnen werden kann, bei der eine Diskontinuität in den Steigungen der
Kurven auftritt, welche durch die Verbindung der beiden verschiedenen Kurven bestimmt
wird.
-
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine schematische
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der neuen und verbesserten Vorrichtung
nach der Erfindung zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden
Gasgemisch, die außerdem die zusammenwirkenden Teile der Vorrichtung zeigt, Fig.
2 eine Querschnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung nach der Linie 2-2
in Fig.
-
1, Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Gasgemischtemperaturwerte,
welche durch die Thermoelemente der Vorrichtung geliefert werden, über den besonderen
Thermoelementorten oder -entfernungen, welche den vorgenannten Temperaturwerten
entsprechen, aufgetragen sind, und zwar für mehrere Testläufe mit verschiedenen
Gasgemischen, die unterschiedliche Prozentsätze
an Wasserdampf
enthielten, wobei das Rohr, durch welches die Gasgemische hindurchgeleitet wurden,
eine Kupferrohrleitung war, Fig. 4 ein Diagramm ähnlich dem in Fig. 3, wobei jedoch
die Rohrleitung, durch die Gasgemische hindurchgeleitet wurden, aus Glas bestand,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer neuen und verbesserten Vorrichtung
nach der Erz in dung zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden
Gasgemisch, die der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gleicht, jedoch eine zweite
Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei auch die zusammenwirkenden Teile
der Vorrichtung gezeigt sind, und Fig. 6 ein theoretisches Diagramm der Gasgemischtemperaturwerte,
die durch das einzelne Thermoelement geliefert werden, welches in der Meßvorrichtung
nach Fig. 5 benutzt wird, die über dem besonderen entsprechenden Strömungsgeschwindigkeitswert
des Gasgemisches aufgetragen sind, welches durch die rohrförmige Leitung der Vorrichtung
nach Fig. 5 strömt.
-
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der neuen und verbesserten
Vorrichtung nach der Erfindung zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf
enthaltenden Gasgemisch, die insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist.
-
Wenn wie erwähnt ein Gasgemisch, beispielsweise eines, das Wasserdampf
enthält, durch eine rohrförmige Leitung hindurchgeleitet wird und die Umgebung außerhalb
der Leitung auf einer Temperatur unterhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches
gehalten wird, so daß die aus der rohrförmigen
Leitung und der
Umgebung bestehende Vorrichtung tatsächlich einen Wärmetauscher darstellt, nimmt
die Temperatur des Gasgemisches ab, wenn dieses sich durch die Leitung hindurchbewegt,
oder, mit anderen Worten, sie nimmt als Funktion der Verweilzeit des Gasgemisches
innerhalb der rohrförmigen Leitung ab, und zwar wegen des Wärmeverlustes des Gasgemisches
an die Umgebung außerhalb der rohrförmigen Leitung. An einem bestimmten Ort oder
Punkt innerhalb der rohrförmigen Leitung, bei Blick in der axialen Längsrichtung
der Leitung, der zweckmäßig mit PO bezeichnet werden kann, erreicht die Temperatur
des Gasgemisches den Taupunkt des Wasserdampfes innerhalb des Gasgemisches, und
stromabwärts dieses Ortspunktes PO befindet sich die Gasgemischtemperatur unterhalb
des Taupunkts.
-
Stromabwärts des Taupunktsortes PO der rohrförmigen Leitung bleibt
der Wasserdampf in der Dampfphase, weil die Gasgemischtemperatur oberhalb des Wassertaupunkts
ist, wohingegen stromabwärts des Taupunktsortes PO das Wasser in Form von Wasser
und Flüssigkeit vorliegt, und zwar wegen der einsetzenden Kondensation.
-
Die Geschwindigkeit der Temperatur abnahme oder des Temperaturabfalls
des Gasgemisches in Abhängigkeit von der Länge der zurückgelegten Strecke oder in
Abhängigkeit von der Verweilzeit innerhalb der rohrförmigen Leitung vor dem Einsetzen
der Kondensation und deshalb stromaufwärts des Taupunktsortes PO ist kleiner als
die entsprechende Geschwindigkeit des Temperaturabfalls oder der Temperaturabnahme
des Gasgemisches in Abhängigkeit von der Länge der zurückgelegten Strecke oder in
Abhängigkeit von der Verweilzeit innerhalb der rohrförmigen Leitung vor dem Einsetzen
der Kondensation und deshalb stromaufwärts des Taupunktsortes PO, und zwar wegen
der latenten Kondensationswärme des Wasserdampfes sowie wegen der höheren spezifischen
Wärme
des Wassers, wenn dieses sich in seiner flüssigen Phase befindet, im Vergleich zu
dem Fall, in welchem dieses sich in seiner Dampfphase befindet. Das Verfahren und
die Vorrichtung nach der Erfindung messen oder bestimmen deshalb den Wassertaupunkt
des Gasgemisches als die Temperatur in dem Ortspunkt P01 wobei der Punkt P als derjenige
Punkt bestimmt wird, in welchem 0 eine Diskontinuität in der Geschwindigkeit der
Temperaturabnahme oder des Temperaturabfalls in Abhängigkeit von der Länge der zurückgelegten
Strecke oder in Abhängigkeit von der Verweilzeit des Gasgemisches innerhalb der
rohrförmigen Leitung auftritt.
-
In der ersten Ausführungsform 10 der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt
ist, wird ein Gasgemisch 12, das eine vorbestimmte Menge Wasserdampf enthält, durch
eine rohrförmige Leitung 14 hindurchgeleitet, was schematisch durch Strömungspfeile
dargestellt ist. Angesichts der Tatsache, daß der Taupunktsort PO als irgendwo innerhalb
der rohrförmigen Leitung 14 befindlich bestimmt wird, wird das Einlaßfluid selbstverständlich
das Gasgemisch in seiner Gesamtheit darstellen, wogegen das Auslaßfluid sowohl gasförmige
als auch kondensierte Flüssigkeitskomponenten enthalten wird. Die rohrförmige Leitung
14 kann jede geeignete Querschnittsform haben, aus jedem geeigneten Werkstoff hergestellt
sein und verschiedene Wanddicken- und Längenabmessungen haben. Gemäß der Darstellung
in Fig. 2 ist die verwendete rohrförmige Leitung im Querschnitt zylindrisch und
besteht entweder aus Kupfer oder aus Glas.
-
Die rohrförmige Leitung 14 ist in ein Kühlmedium 16 eingetaucht, dessen
Temperatur auf einem Wert gehalten wird, der niedriger ist als der des Wassertaupunkts
des Gasgemisches 12. Das Kühlfluid 16, welches die Außenseite der rohrförmigen Leitung
14 umgibt, kann entweder stationär oder strömend sein, und die Temperatur des Kühlfluids
braucht
nicht entweder in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit von der Länge über
der Ausdehnung der rohrförmigen Leitung 14 konstantgehalten zu werden.
-
Weiter enthält die Vorrichtung nach der Erfindung in ihrer ersten
Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 mehrere Thermoelemente T1-T12 oder andere
ähnliche Temperaturfühler, die gleichabständig über die Längsausdehnung der rohrförmigen
Leitung 14 verteilt sind, und zwar gemessen ab dem Einlaßende der Leitung, wobei
die Orte der Thermoelemente mit den Bezugszeichen P1-P12 bezeichnet sind. Die regelmäßige
oder gleichförmige Anordnung oder der regelmäßige oder gleichförmige Abstand der
Thermoelemente T1-T12 über der Längsausdehnung der rohrförmigen Leitung 14 erleichtert
selbstverständlich die genaue Bestimmung der Abnahme der Temperaturwerte des Gasgemisches
und/oder der kondensierten Flüssigkeit innerhalb der rohrförmigen Leitung 14, wenn
solche Fluids durch die Leitung 14 während des MeB- oder Taupunktsbestimmungsverfahrens
hindurchgeleitet werden. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 erstreckt sich jedes Thermoelement
vertikal abwärts durch den obersten Wandteil 18 der Leitung 14, so daß die Thermoelementverbindung
20 oder ein anderer Temperaturfühler in der zentralen Längsachse der rohrförmigen
Leitung 14 angeordnet ist. Auf diese Weise berühren die Thermoelementverbindungen
oder die Temperaturfühler 20 nicht die Wände der Leitung 14, wodurch Wandwärmeleitungseffekte
vorteilhaft eliminiert werden. Selbstverständlich können die Thermoelementverbindungen
oder Temperaturfühler 20 in der Nähe der inneren Wandoberfläche der Leitung 14 oder
sogar in Berührung mit derselben angeordnet sein, dann müssen aber Wandwärmeleitungseffekte
berücksichtigt werden.
-
Die Thermoelemente T1 -T12 liefern selbstverständlich Temperaturmessungen
oder -werte des Gasgemisches oder des gasförmigen/flüssigen Fluids 12, wenn dieses
Fluid in der Leitung 14 von dem Einlaßende der Leitung 14 zu dem Auslaßende
der
Leitung 14 strömt. Diese Temperaturwerte oder -messungen können in einem Diagramm
als Funktion des Thermoelementortes aufgetragen werden, d.h. als Funktion der Strecke
oder der Verweilzeit des Gasgemischfluids innerhalb der rohrförmigen Leitung 14,
wie es beispielshalber in Fig. 3 gezeigt ist. Die Gasgemisch- oder Fluidtemperaturwerte
werden auf der y- oder Ordinatenachse aufgetragen, wogegen die Thermoelementorte
oder -strecken auf der x- oder Abszissenachse aufgetragen werden. Die grafischen
Darstellungen können entweder manuell oder mit Hilfe eines Computers erstellt werden,
und wie erwähnt ändert sich die Temperatur des Gasgemisches auf fortschreitend abnehmende
Weise mit zunehmender Entfernung von dem Einlaßende der rohrförmigen Leitung 14.
Es wird weiter beobachtet, daß die Temperaturveränderung oder Temperaturabnahmegeschwindigkeit
des Gasgemisches anders ist, wenn die Temperatur des Gasgemisches oberhalb des Wassertaupunkts
des Gasgemisches ist, als wenn die Temperatur des Gasgemisches unterhalb des Wassertaupunkts
des Gasgemisches ist. Die Steigungen der grafischen Darstellungen der Temperaturwerte
in Abhängigkeit von der Bewegungsstrecke oder der Verweilzeit des Gasgemisches innerhalb
der rohrförmigen Leitung 14 werden also für die Temperaturwerte oberhalb und unterhalb
des Wassertaupunkts des Gasgemisches unterschiedlich sein. Fig. 3 zeigt, daß die
Temperatur des Gasgemisches bei den Temperaturwerten oberhalb des Wassertaupunkts
des Gasgemisches exponentiell abfällt oder abnimmt, wohingegen die Temperatur des
Gasgemisches bei den Temperaturwerten unterhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches
linear abfällt oder abnimmt. Infolgedessen wird eine Diskontinuität in dem Diagramm
an der Verbindung der beiden aufgetragenen Kurven beobachtet, die den Werten oberhalb
und unterhalb des Wassertaupunkts des Gasgemisches entsprechen, und zwar wegen der
vorgenannten Differenz in den Steigungen der Kurven. Der Temperaturwert, der dem
Diskontinuitätspunkt der beiden Kurven unterschiedlicher
Steigung
entspricht, wird dann als der Wassertaupunkt des Gasgemisches genommen. Der Ort
des Wassertaupunkts ist in Fig. 1 schematisch als P zwischen den Thermoele-0 menten
T4 und T5 an den Orten P4 bzw. P5 innerhalb der Leitung 14 angegeben, dieser Ort
des Taupunkts innerhalb der Leitung 14 ist aber lediglich ein Beispiel und wird
sich mit dem Volumenprozentsatz des Wasserdampfes innerhalb des besonderen Gasgemisches
12 verändern, was auch die Kurven in Fig. 3 zeigen, was alles auf bekannte Erscheinungen
zurückzuführen ist. Die Bezeichnung des Wassertaupunktsortes PO als zwischen den
Thermoelementen T4 und T5 gelegen entspricht der obersten Kurve in Fig. 3 für das
Gasgemisch, das eine Konzentration von 15 Vol.-% Wasserdampf des gesamten Gasgemisches
hat.
-
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das dem in Fig. 3 gleicht, wobei jedoch
die experimentellen Daten unter Verwendung einer rohrförmigen Leitung 14 aus Glas
gewonnen worden sind.
-
Der Außendurchmesser der rohrförmigen Leitung 14 betrug 8,1 mm (0.318
inches), wogegen der Innendurchmesser des Rohres 14 6,1 mm (0.242 inches) betrug.
Darüber hinaus hatten die Thermoelemente T1 -T12 einen gegenseitigen Abstand von
76 mm (3"), und die Temperatur des umgebenden Kühlfluids 16 betrug 19,4 OC (67 "F).
Die Strömungsge--schwindigkeit des Gasgemisches 12 in der rohrförmigen Leitung 14
betrug 146 cm3/s (0.31 ACFM oder actual cubic feet per minute). Die in der folgenden
Tabelle angegebenen Daten entsprechen den, die als Kurven in Fig. 4 dargestellt
sind:
TABELLE I Wasserdampf in Vol.-% der 6 8 10 12 14 16 18 20
Gesamtmenge 0 Thermoelement- Temperaturwerte ( F) Position T1 200 200 186 195 195
200 197 204 T2 179 178 169 176 175 182 177 182 T3 160 159 152 159 158 162 160 166
T4 144 139 139 145 145 149 146 154 T5 133 127 129 136 138 142 143 148 T6 120 115
120 127 130 135 137 143 T7 114 111 116 125 128 133 136 141 T8 108 107 113 121 126
130 134 139 Tg 100 104 110 119 123 129 133 137 T10 92 102 109 118 122 128 132 135
T11 89 101 107 116 120 126 130 134 T12 90 99 106 114 119 124 129 133 Fig. 5 zeigt
eine zweite Ausführungsform der neuen und verbesserten Vorrichtung nach der Erfindung
zum Messen des Wassertaupunkts in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch, die
insgesamt mit der Bezugszahl 100 bezeichnet ist. Die Bezugszahlen, die in Verbindung
mit dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung benutzt werden, gleichen den in
Verbindung mit der ersten Ausführungsform benutzten, mit dem Unterschied, daß sämtliche
Bezugszahlen um 100 erhöht sind.
-
Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nur ein einzelnes
Thermoelement oder ein einzelner Temperaturfühler T in Verbindung mit der rohrförmigen
Leitung 114 benutzt, durch die das Gasgemisch 112 hindurchgeleitet wird, wobei das
Thermoelement T in einer Entfernung P von dem Einlaßende der rohrförmigen Leitung
114 angeordnet ist.
-
Die rohrförmige Leitung 114, durch die das Gasgemisch 112
strömt,
ist in ein Kühlfluid 116 auf ähnliche Weisewiebei der Ausführungsform nach Fig.
1 eingetaucht, wobei sich aber die Art der Benutzung der Vorrichtung nach Fig. 5
von der der Vorrichtung nach Fig. 1 wesentlich unterscheidet. Statt eines einzelnen
Durchlaufs des Gasgemisches 12 durch die Leitung 14 und den infolgedessen gewonnenen
Temperaturmeßwerten aus jedem Thermoelement T1-T12 werden mehrere Durchläufe des
Gasgemisches 112 durch die Leitung 114 ausgeführt, und zwar mit unterschiedlichen
Strömungsgeschwindigkeiten. Für jeden vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeitswert
des besonderen Strömungsdurchlaufs werden Temperaturablesungen an dem Thermoelement
T gemacht. Ein Diagramm der gemessenen Temperaturwerte, die den besonderen Strömungsgeschwindigkeitswerten
der besonderen Durchläufe entsprechen, wird dann erstellt. Ein erwartetes theoretisches
Diagramm dieser verschiedenen Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeitswerte ist
in Fig. 6 gezeigt, wobei die Temperaturwerte auf der y- oder Ordinatenachse aufgetragen
sind, wogegen die Strömungsgeschwindigkeitswerte auf der x-oder Abszissenachse aufgetragen
sind. Wie bei den Diagrammen nach den Fig. 3 und 4 ist zu erkennen, daß das Diagramm
nach Fig. 6 eine ähnliche Charakteristik hat und zwei verschiedene Kurven E und
L enthält, die die Temperaturwerte oberhalb bzw. unterhalb des Wassertaupunkts des
Wasserdampf enthaltenden Gasgemisches darstellen. Die Kurve E zeigt den exponentiellen
Abfall oder die exponentielle Abnahme der Gasgemischtemperatur an dem Ort P des
Thermoelements T mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches 112 in
der rohrförmigen Leitung 114, wenn die Temperaturwerte des Gasgemisches noch oberhalb
des Wassertaupunkts sind, wogegen die Kurve L den linearen Abfall oder die lineare
Abnahme der Gasgemischtemperatur an dem Ort P des Thermoelements T bei abnehmender
Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches 112 in der rohrförmigen
Leitung
114 zeigt, wenn die Temperaturwerte des Gasgemisches unterhalb des Wassertaupunkts
sind. Die Diskontinuität D, die zwischen den Kurven E und L vorhanden ist, bezeichnet
den Ort der Wassertaupunktstemperatur, der leicht bestimmt werden kann, indem die
Lage des Punkts D horizontal parallel zu der x- oder Abszissenachse extrapoliert
wird, bis er die y- oder Ordinatenachse schneidet, wodurch der Temperaturwert, der
dem Wassertaupunkt entspricht, sichtbar gemacht wird.
-
Offenbar sind viele Modifizierungen und Veränderungen der Erfindung
im Rahmen der obigen Beschreibung möglich, beispielsweise hinsichtlich der Tatsache,
daß das Kühlfluid 16 oder 116 entweder Luft oder Wasser oder ganz allgemein ein
geeignetes gasförmiges oder flüssiges Medium sein kann. Darüber hinaus können bei
der Vorrichtung nach der Erfindung statt der Thermoelemente T1-T12 oder T andere
Temperaturabfühlvorrichtungen benutzt werden, wie beispielsweise Widerstandsthermometer,
Thermistoren und dgl. Weiter können die Vorrichtung nach der Erfindung und das ihr
zugeordnete Verfahren benutzt werden, um die Taupunkte von anderen kondensierbaren
Gasen innerhalb des Gasgemisches 12 oder 112 zu ermitteln. Ein gewisser Grad an
vorbestimmter Kenntnis wird normalerweise erforderlich sein, um die erwarteten Ergebnisse
etwas vorherzusagen, es ist aber bekannt, daß für jede kondensierbare Komponente,
die innerhalb des Gasgemisches 12 oder 112 vorhanden ist, eine Diskontinuität in
dem Temperaturprofil oder den in den Fig. 3, 4 und 6 dargestellten Kurven auftreten
wird. Die Erfindung kann also auch im Rahmen der Ansprüche anders als hier speziell
beschrieben ausgeführt werden.