NL8901660A - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de wobbe-index. - Google Patents

Description

MERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET BEPALEN VAN DE WOBBE-INDEX

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van de Wobbe-index van een gasmengsel, waarbij het gasmengsel met een eerste debiet vanuit een toevoergedeelte via tenminste een doorstroomopening wordt toegevoerd aan een mengkamer, een oxidatiegas met een tweede debiet vanuit een toevoergedeelte via tenminste een doorstroomopening wordt toegevoerd aan de mengkamer, waarbij in de mengkamer een tweede gasmengsel wordt gevormd en dit tweede gasmengsel wordt verbrand in een verbrandingskamer, waarna de luchtfactor van het aldus gevormde verbrandingsgas wordt gemeten.

Een dergelijke werkwijze is bekend bij de zogenaamde "comburimeter" zoals commercieel in de handel gebracht door Gazz de France.

Bij deze bekende meetinrichting wordt gas en lucht separaat toegevoerd via drukregelaars en debietregelaars aan een mengkamer waarin aldus eenbepaalde mengverhouding ontstaat.

Het nadeel van deze methode is dat hier absolute regel-apparatuur wordt gebruikt, zodat bij eventuele afwijkingen tussen de apparatuur gebruikt in het gas respectievelijk luchttoevoersysteem standaardfouten ontstaan in de gemeten Wobbe-index. Dit verschijnsel kan ook ontstaan wanneer als gevolg van verouderingsverschijnselen dergelijke afwijkingen ontstaan.

De uitvinding stelt zich tot doel een werkwijze van de bovengenoemde soort te verschaffen, waarbij deze nadelen worden vermeden.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de druk van het eerste gasmengsel en van het oxidatiegas vlak voor de mengkamer in een bepaalde verhouding wordt gehouden door middel van druk-verschiImeting die het debiet van het eerste gasmengsel en/of het oxidatiegas regelt, en dat de Wobbe-index wordt bepaald op basis van de gemeten Luchtfactor.

Andere kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de hiernavolgende beschrijving/ waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde tekeningen, waarin:

Fig. 1 een schematische weergave is van een eerste inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding,

Fig. 2 een schematische weergave is van een ten opzichte van Fig. 1 gewijzigde uitvoeringsvorm van een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding,

Fig. 3 een perspectief-weergave is van de scheiding tussen toevoerleiding en mengkamer zoals toegepast kan worden in de inrichting volgens fig. 1,

Fig. 4 een gedeeltelijke doorsnede van de scheiding volgens fig. 3,

Fig. 5 een perspectief-weergave van een in de praktijk gebruikt toevoersysteem voor gas en lucht,

Fig. 6 een schematische doorsnede van een drukmeter toegepast in een inrichting volgens de uitvinding, en

Fig. 7 een ten opzichte van fig. 6 gewijzigde uitvoeringsvorm van een drukmeter.

De inrichting zoals weergegeven in figuur 1 omvat een toevoergedeelte 110 voor het oxidatiegas en een toevoergedeelte 120 voor het gasmengsel waarvan de Wobbe-index moet worden bepaald.

Het oxidatiegas kan lucht zijn, maar ook elk ander gas waarmee het gasmengsel kan worden geoxideerd kan worden gebruikt, zoals zuivere zuurstof, met zuurstof verrijkte lucht, peroxiden e.d.

Het gasmengsel kan aardgas zijn, maar elk ander gas of gasmengsel dat gebruikt kan worden voor verbrandingsdoeleinden kan in principe worden onderzocht met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding.

Het toevoergedeelte 110 voor het oxidatiegas omvat een toevoerleiding 111 die enerzijds is aangesloten aan een bron van oxidatiegas, die een oxidatiegas onder in hoofdzaak constante druk levert. Anderzijds is de toevoerleiding 111 verbonden met een druk-regelklep 112, waarlangs het oxidatiegas in een pijpgedeelte 113 kan stromen. Via de drukregelklep 112 wordt de gasdruk in het pijpgedeelte 113 geregeld.

Het toevoergedeelte 120 voor het gasmengsel omvat een toevoerleiding 121 die enerzijds is aangesloten aan een bron van het te meten gasmengsel, en anderzijds aan een drukregelklep 122 waardoor het gasmengsel naar een pijpgedeelte 123 kan stromen. De instelling van de drukregelklep 122 wordt bepaald door middel van een regelcir-cuit 124 waarvan de werking hierna in meer detail zal worden beschreven.

De pijpgedeelten 113 en 123 zijn tenminste gedeeltelijk onderling evenwijdig en in warmte-uitwisselend kontakt met elkaar aangebracht, bijvoorbeeld via een coaxiaal deel 125. Eventueel is rond het deel 125 een electrische verwarming aangebracht, waarmee het gasmengsel en het oxidatiegas tot dezelfde temperatuur kunnen worden verwarmd. Het pijpdeel 113 mondt uit in een mengkamer 130, waarin tevens het pijpdeel 123 uitmondt. De mengkamer 130 is verder verbonden met een niet weergegven verbrandingskamer, die op haar beurt weer verbonden is met een niet weergegeven meetkamer, waarin een λ-sonde is aangebracht, een en ander zoals beschreven in NL-A-8802336. De λ-sonde bepaalt het zuurstofgehalte in de meetkamer. Deze λ-sonde kan van het type zijn zoals beschreven in een publicatienr. 730575 van Research Laboratories + General Motors Corp. Sensor for On-Vehicle Detection of Engine Exhaust Gas Composition door Willium J. Fleming, David S. Howarth en David S. Eddy. Het signaal opgewekt door de λ-sonde is een direkte maat voor de hoeveelheid zuurstof in de meetkamer, hetgeen op zijn beurt weer een maat is van de Wobbe-index van het verbrand gas.

De uitstroomopeningen tussen de pijpdelen 113 en 123 en de mengkamer 130 zijn zodanig gekozen dat in de mengkamer steeds een gasmengsel ontstaat dat rijker is aan zuurstof dan nodig voor een stoechiometrische verbranding.

Het pijpgedeelte 123 is via een leiding 124 verbonden met een zijde van een differentiële drukmeter 140, waarvan de andere zijde via een leiding 114 verbonden is met het pijpgedeelte 113. Tenslotte is de leiding 124 weer eventueel onder tussenschakeling van een smoorklep 125 eventueel in de vorm van een capillaire buis via een leiding 126 verbonden met de omgeving.

De differentiële drukmeter 140 kan van het type zijn zoals meer gedetailleerd weergegeven in fig. 6, maar het is duidelijk dat elke inrichting die geschikt is om een drukverschil te meten en om te zetten in een proportioneel signaal gebruikt kan worden.

Zoals weergegeven in fig. 6 bestaat de drukmeter 140 uit twee kamers 141 en 146 van elkaar gescheiden door een membraan 143 waarbij de kamers 141 en 142 respectievelijk verbonden zijn met de leidingen 114 resp. 124. Op het membraan 143 is een reflecterend vlak 144 gevormd dat zich bevindt tegenover een in de wand van de kamer 141 foto-electrische detectieinrichting 145. Deze foto-electrische detectie-inrichting 145 omvat een lichtbron 146, bijvoorbeeld in de vorm van een LED, en een fotogevoelig element, 147 bijvoorbeeld een foto-transistor die zodanig naast elkaar geplaatst zijn dat tenminste een gedeelte van het door een lichtbron 17 uitgezonden hoeveelheid licht na reflectie door het vlak 144 terecht komt op de foto-transistor 147.

Het uitgangssignaal van de foto-transistor 147 wordt vergeleken met instelsignaal, en het hieruit resulterende signaal wordt gebruikt voor instelling van de klep 122.

De werking van de drukmeter 140 is als volgt. Wanneer de druk in de twee kamers 141 en 142 gelijk is dan bevindt het membraan 143 zich in een middenstand, waarbij via het vlakje 144 een bepaalde hoeveelheid licht op de foto-transistor 147 valt. Hierdoor wordt een uitgangssignaal opgewekt dat overeenkomt met het instelsignaal. Is de druk in kamer 142 hoger dan in de kamer 141 dan beweegt het membraan 143 in de richting van de detectieinrichting 145. Dit heeft tot gevolgd dat er meer licht op de foto-transistor 147 valt, dat een hoger uitgangsignaal tot gevolg heeft, waardoor na vergelijking met het instelsignaal een "positief" regelsignaal naar de klep 122 wordt gezonden. Is de druk in de kamer 141 hoger dan in de kamer 142 dan beweegt het membraan 144 in de andere richting waardoor minder licht op de foto-transistor 147 valt en het uitgangssignaal hiervan dus kleiner wordt. Na vergelijking met het instelsignaal resulteert dit in een "negatief" signaal voor de klep 122.

Bij voorkeur is het pijpdeel 123 uitgevoerd als een flexibele slang van voldoende lengte, zodat ook de meetinrichting niet altijd direkt bij het gas-aftakpunt moet worden opgesteld. Aangezien de klep 122 een reduceerklep is en een capillair karakter heeft, is de gas-inhoud in de leiding 123 zodanig klein, dat hierdoor geen noemens-waardige vertragingen ontstaan in het meetsysteem.

Daarnaast is de leiding 123 nog verbonden met een tweede toevoer leiding 127 met reduceerklep 128. Langs dit systeem kan een ijkgas worden toegevoerd naar de mengkamer 130. Daarbij is in het electrisch circuit dat het signaal van de drukmeting terugvoert naar de klep 122 een wisselschakelaar 148 aangebracht waarmee dat signaal kan worden teruggevoerd naar de klep 128.

Teneinde de druk van de lucht toegevoerd aan de mengkamer 130 zo konstant mogelijk te houden is een leiding 116 aangebracht die enerzijds verbonden is met leiding 113 vlak voordat deze uitmondt in de mengkamer 130, en anderzijds verbonden is met de klep 112, waardoor de klep 112 zodanig wordt geregeld dat de luchtdruk in leiding 113 vlak voor de mengkamer 130 konstant is ongeacht de weerstand in de leiding 113.

De werking van de inrichting is als volgt. Gas en lucht worden toegevoerd via de leidingen 120 respectievelijk 110. Via de drukmeter 140 en regelcircuit 124 wordt de druk en in het coaxiaal deel 125 de temperatuur van de lucht en het gas aan elkaar gelijk gemaakt. Daardoor ontstaat in de mengkamer een mengsel gas-lucht met een bepaalde mengverhouding (met een overmaat lucht), dat vervolgens wordt verbrand, waarna door het meten van het zuurstofoverschot de Wobbe-index kan worden bepaald. Daartoe kan via de klep 127 en na omstelling van de schakelaar 150 de λ-sonde worden geijkt met behulp van een gas met een bekende Wobbe-index.

In de uitvoeringsvorm zoals beschreven met betrekking tot fig. 1 wordt ervan uitgegaan dat het signaal van de λ-sonde een direkte indikatie is van de Wobbe-index. Het is bekend dat de λ-sonde een gevoeligheidskarakteristiek heeft die een maximaal signaal genereert wanneer het verbrande gasmengsel nagenoeg stoechiometrische verhoudingen vertoont. Daarnaast kan de gevoeligheidskarakteristiek verlopen als gevolg van verouderingsverschijnselen en temperatuur. Om deze redenen kan het gewenst zijn om het signaal van de λ-sonde niet direkt te gebruiken als indikatie voor de Wobbe-index, maar om de toevoer van een van gassen, lucht of aardgas, zodanig te regelen dat steeds een stoechiometrisch mengsel aan de verbrandings-kamer wordt toegevoerd.

Daartoe kan de uitvoeringsvorm volgens fig. 1 als volgt worden gewijzigd dat de verbindingsopening tussen de leiding 125 en de mengkamer 130 is uitgevoerd zoals weergegeven in fig. 3 en 4. Een plaatje 150 vormt de afdichting tussen de leiding 123 en de mengkamer 130 en is voorzien van lanwerpige spleet 151. Deze spleet heeft een dwarsdoorsnede (d.i. loodrecht op de langsrichting van de spleet) zoals weergegeven in fig. 4, waardoor een optimaal stromingsprofiel ontstaat. In de spleet 151 is een wigvormig kleplichaam 152 aangebracht dat via een stang 153 verplaatsbaar is in een richting loodrecht op het vlak van het plaatje 150. De dikte van het kleplichaam 155 komt overeen met de kleinste afmeting van de dwarsdoorsnede van de spleet 151. Door verplaatsing van het kleplichaam kan de doorstroomopening tussen leiding 123 en mengkamer 130 zeer nauwkeurig worden ingesteld, waarbij de gevoeligheid hiervan afhankelijk is van tophoek gebruikt in het wigvormige kleplichaam 152.

Wanneer het kleplichaam 152 zodanig wordt ingesteld dat in de mengkamer exact een stoechiometrische verhouding ontstaat, te detecteren door de λ-sonde, dan is de positie van het kleplichaam een maat voor de Wobbe-index. In zoverre is de werking identiek aan datgeen wat beschreven is met betrekking tot fig. 4 van de Nederlandse octrooiaanvrage 8802336.

In fig. 2 is een andere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding weergegeven, waarbij evenals zo juist beschreven de λ-sonde wordt gebruikt om het gasmengsel in de verbrandingskamer stoechiometrisch te regelen. In de uitvoeringsvorm volgens fig. 2 wordt daartoe gebruik gemaakt van een drukregeling die de druk-verhouding tussen aardgas en lucht instelt, zodanig dat in de mengkamer 130 een stoechiometrisch mengsel ontstaat. Daartoe is in de drukmeter 140 aan de zijde van de aardgasleiding een magneet-spoel-combinatie 160 aangebracht, waardoor de drukregelaar zich kan instellen op een drukverschil tussen tucht en aardgas.

Door de magneet-spoelcombinatie 160 wordt een bekende stroonr afhankelijke kracht uitgeoefend op het membraan. Door de electrische regeling van de klep 121 blijft het membraan in de middenpositie. De variabele kracht op het membraan resulteert aldus in een variabele drukverhouding tussen gas en lucht.

De werking is hierbij zodanig dat de magneet-spoelcombinatie 160 is opgenomen in een regelcircuit met de λ-sonde, dat er voor zorgt dat het drukverschil zodanig wordt ingesteld dat in de mengkamer een stoechiometrisch mengsel ontstaat. De stroom door de spoel van de magneet-spoelcombinatie is dan een maat voor de Wobbe-index.

Een praktische uitvoeringsvorm voor het toevoeren van lucht en gas aan de mengkamer 130 is weergegeven in fig. 5. Het deze configuratie kan een optimale menging worden verkregen. Het toevoer-systeem volgens fig. 5 omvat een cirkelvormige plaat 170 die langs haar omtrek is voorzien van een aantal gaatjes 171. De plaat 170 vormt een deel van de mengkamer 130. De plaat 170 vormt een afdekking voor een cilindrische ruimte 172 gevormd door een wand 173, een cirkelvormige plaat 174. In de cirkelvormige plaat 174 is een centrale opening 176 aangebracht die via een leiding 176 verbonden is met leiding 123. Op de plaat 174 zijn twee nagenoeg half cilindrische wanden 177 en 178 gevormd die samen met de wand 173 twee halve ringvormige kanalen vormen die via openingen 179 en 180 verbonden zijn met de centrale opening 175 en die anderzijds via de openingen 171 verbonden zijn met de mengkamer 130. Door de wand 174 steekt verder een pijp 181 die zich uitstrekt tot tegen de plaat 170 en die via een klep 182 verbonden is met de leiding 176. Boven het einde van pijp 181 in een opening 171 gevormd in plaat 170. Anderzijds steekt een tweede pijp 183 zich op dezelfde wijze uit door de plaat 174, welke pijp via een eerste aftakpijp 184 verbonden is met de drukmeter 140 en via een tweede afvoerpijp 185 en een daarin uitstekend pijpje 186 verbonden is met de gasleiding uit de coaxiale warmtewisselaar. De pijp 186 werkt als vloeistofscheider. Het toegevoerde gas stroomt via 185 naar pijp 183, terwijl eventueel meegesleurde vloeistof wordt afgevoerd via een ander gedeelte van de pijp 185.

In fig. 7 wordt een tweede uitvoeringsvorm van een drukmeter 140 schematisch weergegeven waarbij de positie van het membraan 143 wordt gedetecteerd door een foto-electrisch systeem bestaande uit een lichtbron 190 en twee fotogevoelige elementen 191 en 192. Daarnaast zijn in de wand van de kamer 141 twee lensopeningen 193 en 194 aangebracht. In deze uitvoeringsvorm bevindt het membraan 143 zich in de evenwichtstand wanneer beide fotogevoelige elementen gedeeltelijk en gelijk belicht worden. In alle andere gevallen wordt of het ene of het andere element 191 resp. 196 meer belicht, hetgeen een overeenkomstig signaal opwekt waardoor de druk van het juiste medium (gas of lucht) wordt bijgesteld.

Hierdoor wordt het uitgangssignaal van de regeling onafhankelijk gemaakt van eventuele verouderingsverschijnselen van de lichtbron of het fotogevoelige element.

Verder zijn in fig. 7 de kamers 143 en 146 doorspoelkamers, dat wil zeggen dat er steeds een kleine stroming van gas respectievelijk lucht door de kamers 142 respectievelijk 143 plaatsvindt, zodat steeds het meest recente gas in de kamer 143 aanwezig is. Dit vermijdt foutbepalingen, wanneer door onderdruksituaties een gedeelte van het gas in de kamer 143 zou worden teruggezogen in de leiding 124 en aldus in de mengkamer zou terecht komen.

Claims (9)

1. Werkwijze voor het bepalen van de Wobbe-index van een gasmengsel, waarbij het gasmengsel met een eerste debiet vanuit een toevoer-gedeelte via tenminste een doorstroomopening wordt toegevoerd aan een mengkamer, een oxidatiegas met een tweede debiet vanuit een toevoergedeelte via tenminste een doorstroomopening wordt toegevoerd aan de mengkamer, waarbij in de mengkamer een tweede gasmengsel wordt gevormd en dit tweede gasmengsel wordt verbrand in een verbrandingskamer, waarna de luchtfactor van het aldus gevormde verbrandingsgas wordt gemeten, met het kenmerk, dat de druk van het eerste gasmengsel en van het oxidatiegas vlak voor de mengkamer in een bepaalde verhouding wordt gehouden door middel van drukverschiImeting die het debiet van het eerste gasmengsel en/of het oxidatiegas regelt, en dat de Wobbe-index wordt bepaald op basis van de gemeten luchtfactor.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de Wobbe-index wordt bepaald in functie van de absoluut gemeten luchtfactor.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de Wobbe-index wordt bepaald door het regelen van het debiet van het eerste gasmengsel en/of het oxidatiegas bij een bepaalde luchtfactor, en dat de verhouding tussen de grootheden gebruikt voor het instellen van het debiet van het eerste gasmengsel en/of het oxidatiegas wordt gemeten voor het bepalen van de Wobbe-index.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de druk-verhouding wordt geregeld bij een konstante luchtfactor en dat op basis van deze drukverhouding de Wobbe-index wordt bepaald.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het eerste gasmengsel en het oxidatiegas voordat zij de mengkamer bereiken op dezelfde temperatuur zijn gebracht.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het oxidatiegas en het eerste gasmengsel tijdens hun transport door hun respectievelijke toevoergedeelten in warmte-wisselend kontakt met elkaar zijn.

7. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der conclusies 1-6.

8. Werkwijze in hoofdzaak zoals beschreven en weergegeven in bijgevoegde tekeningen.

9. Inrichting in hoofdzaak zoals beschreven en weergegeven in bijgevoegde tekeningen.