NO780627L - Apparat for overvaakning av forbrenningseffektivitet ved oljefyr og lignende lukkede ildsteder - Google Patents

Description

Apparat for overvåkning av forbrenningseffektivitet ved

oljefyr og lignende lukkede ildsteder.

Oppfinnelsen vedrører et apparat for overvåkning av forbrenningseffektivitet ved oljefyr og lignende lukkede ildsteder ved måling av innholdet av fritt oksygen i forbrenningsgassen med en oksygenmålesonde inneholdende et i faststofftilstand oksygenionledende oksyd av zirkonium eller hafnium med høy renhet og med elektroder for uttagning av en ved oksygenionledning gjennom sonden frembragt elektromotorisk kraft som målespenning for et elektrisk overvåkningskretsløp til registrering av nevnte oksygeninnhold eller en av dette utledet størrelse.

Med det tiltagende behov for energibesparende foranstaltninger er der i de senere år oppstått voksende interesse for en løp-ende kontroll med fyringsøkonomien ved oljefyrer og lignende lukkede ildsteder som benyttes i husholdningene. Da en korrekt justering av slike oljefyrsinstallasjoner medfører betydelige besparelser i brennstofforbruket, utfoldes det også fra myndig-hetenes side bestrebelser på å øke interessen for periodisk eftersyn i den hensikt å bane vei for innføring av obligatorisk kontroll. Imidlertid er kun et fåtall oljefyrsinstallasjoner i virkeligheten'underkastet periodiske eftersyn, og de daglige'brukere har i praksis ingen mulighet for å kontrollere verdien av slike eftersyn, langt mindre selv foreta en løpende overvåkning av forbrenningseffektiviteten.

Oksygenmålesonder av den innledningsvis nevnte art har i de senere år funnet anvendelse ved styring av industrielle for-brenningsprosesser og overvåkning av ovnatmosfærer ved varme-behandlinger. Måleprinsippet beror på at det ved forskjellig oksygentrykk på de to sider av en vegg av et oksyd av det omhandlede slag oppstår en oksygenionledning gjennom veggen, hvorved en elektromotorisk kraft frembringes, som ved hjelp av elektroder anbragt på de to sider av veggen kan uttas som målespenning for et elektrisk kretsløp. Ledningsevnen overfor oksygenioner beror på at f.eks. zirkoniumoksyd ved tilsetning av f.eks. kalsiumoksyd, magnesiumoksyd eller yttriumoksyd kan stabiliseres i kubisk form med vakante oksygenionplasser i krystallgitteret.

De fysiske forhold omkring ledningsmekanismen og de tidligere anvendelser av prinsippet til måleformål finnes nærmere beskrevet blant annet i en artikkel av Franz Gross "Festkorperionenleiter flir Messfuhler und Energispeicher" i BBC-Nachrichten, 1975 , hefte 5/6, side 386-391.

Ledningsevnen overfor oksygenioner er imidlertid kun tilstede

i tilstrekkelig omfang ved høyere temperaturer, og ved de tidligere kjente anvendelser har det vært foreskrevet at målesonden skulle holdes på en temperatur over 600°C. Anbringelse av en målesonde. direkte i den gassblanding, hvis oks<y>geninnhold skal måles, har derfor kun kunnet finne sted ved forbrennings-eller varmebehandlingsprosesser, som foregår ved meget høy og konstant temperatur. Nærmere bestemt er den ved oksygenion-ledningen frembragte elektromotoriske kraft gitt ved den velkjente Nernsts-ligning og avhenger derfor ikke bare av det logaritmiske forhold mellom de på dé to sider av oksydvegge.n - herskende oksygentrykk, men også av sondens absolutte temperatur, slik at det for å sikre sammenlignbare måleresultater må sørges for at oksygeninnholdet.alltid registreres ved i det vesentlige samme temperatur. Ved kontinuerlig overvåkning kan dette på i o.g for seg kjent , måte oppnås ved å holde sonden på en konstant temperatur ved hjelp av et internt varmeelement, slik som det f.eks. er forklart i en artikkel av E. Neuberger:"Speeding- up the on-line measurement of oxygen in process gases" i tids-skriftet Control and Instrumentation, juni 1975, side 24-25.

For gassblandinger med lavere temperatur har det vært foreslått

å anbringe målesonden i en separat, termostatstyrt ovn, som holdes på den nødvendige høye temperatur, og til hvilken det føres prøver av gassbladningen.

I tysk offentliggjørelsesskrift nr. 24 61 565 er et noe lignende prinsipp foreslått for en oksygenmålesonde i et mindre forbren- ningsanlegg til husholdningsbruk, idet det ved hjelp av et elektrisk varmeelement sørges for å bringe sonden opp på den nødvendige arbeidstemperatur, som i dette tilfelle angis å ligge på ca. 500°C. På grunn av det elektriske varmeelement og den i forbindelse hermed nødvendige temperaturovervåkningskrets blir denne konstruksjon så dyr at den i de fles.te tilfeller ikke er tillokkende for alminnelige brukere.

Ved oppfinnelsen unngås denne ulempe og'det oppnås et apparat

som gir mulighet for løpende effektiv overvåkning av forbren-ningseffektiviteh og som også er tilstrekkelig billig både med hensyn til fremstilling og montering i eksisterende fyrin-stallasjoner til å være tillokkende for alminnelige brukere ved at sonden utgjøres av et til anbringelse i og oppvarming med forbrenningsgassen utformet, i den ene ende lukket rør, av hvis vegg i det minste en del utgjøres av nevnte oksyd med nevnte elektroder tilsluttet yttersiden og innersiden, og i hvis indre det dels hersker et referense-oksygentrykk., dels er anbragt et termoelement, hvis tilførselsledninger er ført til overvåkningskretsløpet med henblikk på kun å registrere oksygeninnholdet ved en sondetemperatur svarende til en forutbestemt temperatur i hver forbrenningssyklus.

Oppfinnelse^! beror på at' det i praksis har vist seg mulig å fremstille stabiliserte oksyder av det omhandlede slag, hoved-sakelig zirkoniumoksyder med en så høy renhet at det med den foreslåtte sondeutformning kan oppnås en for praktiske formål anvendelig oksygenionledningsevne allerede ved en sondetemperatur på 200-500°C eller enda lavere. På denne måte åpnes det i praksis mulighet' for utnyttelse av målemetoden ved for eksempel alminnelige oljefyrsinstallasjoner med anbringelse av målesonden f.eks. direkte i forbrenningskammeret. Da det således ikke kreves ekstra installasjoner, som f.eks. en separat ovn eller et ekstra varmeelement, for å få sonden ti.l å fungere tilfredsstillende, blir installasjon av overvåkningsapparatet ifølge oppfinnelsen også i tilknytning til oljefyrer i bruk spesielt enkel, idet det bare skal skje montering av sondens rør-formede, følsomme del på et passende sted i forbrenningskammeret, hvilket for eksempel kan skje ved hjelp av en skjærerings-gjennomføring i den sedvanlige inspeksjonsluke. Sonden vil herved også lett kunne tas ut for rensning eller utskiftning.

Målesonden behøver dog ikke nødvendigvis anbringes i selve forbrenningskammeret, men kan anbringes et annet sted i direkte kontakt med den varne forbrenningsgass, f.eks. i røkkassen eller røkrøret. På denne måte kan sonden i kraft av dens termoelement utnyttes til løpende overvåkning av røkgassens temperatur, som sammen med innholdet av fritt oksygen i forbrenningsgassen er et mål for forbrenningens effektivitet.

Som det vil fremgå av det ovenfor anførte kan oksydet av zirkonium eller hafnium om ønsket utgjøre bare en del av det i den ene ende lukkede rør, og av prismessige grunner er det fordelaktig at oksydet utgjør en så liten del som mulig. Ved en fordelaktig utførelsesform utgjør dette oksyd endeveggen i et rør av et annet, overfor påvirkningene fra den varme forbrenningsgass forholdsvis motstandsdyktig materiale. Denne endevegg kan eksempelvis tilveiebringes med en oksydskive, som anbringes tettsluttende ved enden av røret, f.eks. med en tettsluttende pakning i en utsparing i rørveggen. Motstands-dyktige materialer, hvorav rørveggen vil kunne utformes, er velkjente, men materialet utgjøres fortrinnsvis av et metall eller et metallisk ledende materiale, fortrinnsvis stål, så

som rustfritt stål. Ved en slik utførelsesform kan rørmaterialet passende utgjøre den ene av elektrode-tilfør.selsledningene. til oksyd-veggdelen. Videre bevirker et rør av metall eller metallisk ledende materiale den best mulige varmeledning mellom rørets indre og forbrenningsgassen utenfor røret. Dette er fordelaktig, fordi det bør tilstrebes hurtigst mulig oppnåelse av en så liten temperaturforskjell som mulig mellom de

to sider av røret, eller med andre ord at referensemediet i røret hurtigst mulig får tilnærmelsesvis samme temperatur som forbrenningsgassen.

Rustfritt stål er spesielt fordelaktig som rørmateriale, idet det kun langsomt vil angripes av den korrosive forbrenningsgass ved de i forbrenningsgassen herskende temperaturer på opp til omkring 500 C.

Ved en spesielt hensiktsmessig utførelsesform er sonderørets

I lindre åpent mot atmosfæren utenfor sondens anbringelsessted, JI slik at denne atmosfære tilveiebringer referénse-oksygentrykket.

Oppfinnelsen forklares i det følgende nærmere, under henvisning til den skjematiske tegning, hvor

fig. 1 i snitt viser en første, utførelsesform for oksygenmålesonden i et apparat ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 en"separat termoelementsonde til måling av røkgass-temperatur,

fig. 3 et eksempel på den prinsipielle oppbygning av en elektrisk overvåkningskrets,

fig. 4 en grafisk avbildning til illustrasjon av temperatur-forløpet under en forbrenningssyklus,

fig. 5 en grafisk avbildning av forb.rénningseffektiviteten uttrykt i prosent pipetap som funksjon av røkgassens temperatur og karbondioksydinnhold,

fig. 6 en enkel utførelsesform for et indikatorpanel, og

fig. 7 en annen spesielt billig utførelsesform for oksygenmålesonden.

Oksygenmålesonden i fig. 1 omfatter et rørformet skaft 1 av f.eks. rustfritt stål, hvorpå det ved hjelp av en skjærering med koblingsmutter 2 er festet en bøssing 3 med utvendige gjenger for muttere 4 og 5 for fastspenning av sonden i forhold til en ved 6 vist del av en begrensningsvegg. for et forbrenningskammer, i hvilken veggdel.det er utformet en boring 7 for gjennomføringsbøssingen 3.

Ved den i forbrenningskammeret liggende åpne ende av skaftet

1 er der på tettsluttende måte innsatt en oksygenmålecelle i form av et i den ene ende lukket rør. 8, som fortrinnsvis er fremstillet av zirkoniumoksyd, som ved tilsetning av f.eks. yttriumholdig materiale er stabilisert til den kubiske gitter- struktur for å oppnå høy ledningsevne for oksygenioner.

Materialet til den rørformede oksygenmålecelle 8 skal for å

sikre tilstrekkelig oksygenionledningsevne ved de temperatur-forhold som sonden utsettes for i vanlige oljefyrinstallasjoner ha høy renhet. Et egnet materiale vil f.eks. være yttriumholdig zirkoniumoksyd med en renhet som overstiger 99,5%. Spesielt foretrekkes det for oppnåelse av en stabil krystallgitterstruktur at de individuelle urenhetsbidrag ikke overstiger 0,1%, og videre bør der ikke finnes metalliske uren-

heter som oksyderer ved temperaturer, som sonden utsettes for,

og derved kan bevirke en forvanskning av måleresultatet. Det har i praksis vist seg mulig å fremstille måleceller av zirkoniumoksyd ved denne meget høye renhet.

Målecellerøret 8 er både på den. utvendige og den innvendige

side forsynt med ikke nærmere viste elektroder, f.eks. i form av belegg av et elektrodemateriale som ikke oksyderer ved de temperaturer sonden utsettes for, og påført på en slik måte at zirkoniumoksydet på en betydelig del av både den utvendige og den innvendige overflate av målerøret 8 er blottlagt for henholdsvis forbrenningsatmosfæren i forbrenningskammeret og et i målerørets 8 indre værende medium, som tjener til frembringelse av et konstant referenseoksygentrykk. Elektrodematerialet kan f.eks. være platina.

Atmosfærisk luft som har et.veldefinert oksygeninnhold, kan i de fleste tilfeller tjene som referensemedium, idet det så kun sørges for at det indre av målerøret 8 gjennom en passende luft-passasje i sondeskaftet 1 har adgang til luften utenfor forbrenningskammeret. I visse tilfeller kan det imidlertid være foretrukket som referensemedium i det indre av målerøret 8 å benytte en pulverformet metall - metalloksydblanding, så som antydet ved en skravering 9 i fig. 1, f.eks. en blanding av kobber og kupro-oksyd, idet der herved oppnås et noe lavere referense-oksygentrykk enn ved anvendelse av atmosfærisk luft og dermed en noe større følsomhet overfor små endringer i oksygeninnholdet i den undersøkte atmosfære.

I det indre av målerøret 8 er det ytterligere med henblikk på registrering av målesondens temperatur anbragt et termoelement 10, hvis ene tilførselsledning samtidig, tjener som tilførsels-ledning for elektrodebelegget på zirkoniumoksydrørets 8 innside, slik at denne tilførselsledning tjener .som felles referense-ledning for de henholdsvis ved oksygenmålingén og av termoelementet frembragte målesignaler. De tre elektrodeledere, som er vist ved 11, 12 og 13, er i en kabel 14 ført ut av målesonden til et elektrisk overvåkningskretsløp, .hvis oppbygning forklares i det følgende.

Sonden fungerer på den måte at det ved forskjell mellom oksygentrykket i forbrenningsatmosfæren rundt målerøret 8 og referense-oksygentrykket i målerørets 8 indre som følge av oksygenionledning gjennom zirkoniumoksydet oppstår en elektromotorisk kraft, hvis størrelse avhenger av det logaritmiske forhold mellom de to oksygentrykk og av sondens temperatur. Ved en passende høy sondetemperatur vil denne elektromotoriske kraft gi anledning til et målesignal over lederne 11 og 12 i fig. 1.

Til komplettering av oksygenmålingén ved hjelp av sonden i fig.

1 kan apparatet ifølge oppfinnelsen ytterligere inneholde en i fig. 2 vist termoelementsonde 15 til anbringelse i et røkrør eller en røkkasse for en oljefyr, f.eks. i det huli som vanlig-vis i forveien finnes til manuell kontroll av forbrennnings-effektiviteten, med henblikk på måling av røkgassens temperatur. Termoelementsonden 15 kan ha ledere 16 og' 17, som over en kabel.

18 fører til det elektriske overvåkningskretsløp.

I det rent skjematisk viste prinsippdiagram i fig. 3 føres den ved oksygenmålingén frembragte elektromotoriske kraft som målesignal på lederne 11 og 12 til en forsterker 18', mens målesignalet fra termoelementet 10 over lederne 12 og 13 føres til en forsterker 19. Til utgangen av forsterkeren 19 er sluttet en detektor 20 som ved en gitt forutbestemt verdi av for-sterkerens 19 temperaturutgangssignal avgir et styresignal til en åpningskrets 21, hvorved denne åpnes for passasje av det med oksygeninnholdet i den undersøkte atmosfære proporsjonale utgangssignal for forsterkeren 18' til en indikatorvelger 22. Avhengig av størrelsen av dette inngangssigiial avgir indikatorvelgeren på en av et antall styreledere 23 et aktiveringssignal til tenning av en av et antall indikatorlamper 24 svarende til hver sin forutinnstilte verdi av oksygeninnholdet i den undersøkte atmosfære, i dette tilfelle forbrenningsgassen i det forbrenningskammer hvor den i fig. 1 viste sonde er anbragt. På denne måte oppnås,også for den alminnelige bruker som ikke har særlige forutsetninger, en entydig indikasjon av om oksygeninnholdet eller en herav utledet størrelse, f.eks. karbondioksydinnholdet i røkgassen fra den angjeldende oljefyr,, befinner seg innenfor eller utenfor et tillatt variasjonsområde.

På tilsvarende måte kan det ved å føre. målesignalet fra termoelementsonden 15 i fig. 2 over en forsterker 25 til en indikatorvelger 26 oppnås aktivering av én av et antall indikatorlamper 27 svarende til hver sin forutbestemte verdi av røkgass-temperaturen.

Ved utnyttelsen av det av termoelementet 10 frembragte målesignal for temperaturen av sonden i fig. 1 som åpningssignal for tilførsel av oksygenmålesignalet til indikatorvelgeren 22 unngås spesielle foranstaltninger til å holde sonden i fig. 1

på konstant arbeidstemperatur. I fig. 4 er temperaturen i forbrenningskammeret vist som funksjon av tiden under en forbrenningssyklus. Punktet A på den viste kurve representerer en passende verdi av sondetemperaturen til aktivering av detektoren 20 i fig. 3 for å avgi et styresignal til åpnings-kretsen. 21. Herved vil i hver forbrenningssyklus nettopp det ved denne temperaturverdi opptredende oksygeninnhold i forbrenningsgassen bli registrert ved hjelp av en av lampene 24.

I forbindelse med dette kan overvåkningskretsløpet på ikke nærmere vist måte være således anordnet at den angjeldende indikasjon fastholdes inntil aktiveringstidspunktet i neste forbrenningssyklus.

I fig. 5 er vist en grafisk avbildning av forbrenningseffektivi-• teten for en oljefyr uttrykt i prosent pipetap som funksjon av henholdsvis karbondioksydinnholdet i røkgassen og forskjellen mellom dennes temperatur og luftens temperatur. I praksis anses en tilfredsstillende forbrenningseffektivitet og fyrings-økonomi oppnådd hvis karbondioksydinnholdet og røkgasstempera-turen befinner seg innenfor det i figuren inntegnede rektangulære

variasjonsområde B.

Ved en særlig enkel utførelsesform for overvåkningsapparatet ifølge■oppfinnelsen kan indikatorlampene 24 og 27 som vist i fig. 3, være anbragt i et indikatorpanel 28 og være utformet således at lamper svarende til måleverdier utenfor det tillatte variasjonsområde viser en indikasjon som klart kan skjelnes fra indikatoren for de lamper som svarer til måleverdier innenfor det tillate variasjonsområde, f.eks..ved at de førstnevnte lamper lyser rødt og de sistnevnte grønt.' Herved åpnes mulighet for en bekvem overvåkning som ikke stiller krav til spesielle forutsetninger hos brukeren. Da de av lampene angitte verdier for karbondioksydinnhold og røkgasstemperatur videre vanlig-

vis vil endre seg gradvis, kan der på denne måte i tide oppnås forvarsel om at eftersyn og justering av den angjeldende fyr bør finne sted.

Den antydningsvis illustrerte oppbygning av det elektriske over-våkningskretsløp representerer en spesielt billig og enkel utførelsesform, ved hvilken de samledé omkostninger til anskaf-felse og installasjon av overvåkningsapparatet forholdsvis hurtig vil kunne inntjenes i besparelser i brennstofforbruket. Denne utførelsesform er imidlertid ikke begrensende for oppfinnelsen, idet overvåkningskretsløpet også vil kunne innrettes

■til andre former for visuell indikasjon, f.eks. siffervisning, liksom det ikke er noe til hinder for å utnytte de av sondene frembragte målesignaler direkte til en servoregulering av brenn-, stoff-lufttilførselen til fyren. Også selve sondeutformningen kan 'innenfor oppfinnelsens rammer modifiseres i forhold til de viste utførelsesformer.

I fig. 7 er vist en annen utførelsesform for en oksygenmålesonde, som her omfatter et rør 31, som fortrinnsvis utgjøres av et motstandsdyktig metall eller metallisk ledende materiale,

som rustfritt stål. Røret kan være festet i en vegg 36, som er i kontakt med den varme forbrenningsgass på lignende måte som beskrevet i det foregående. En skive 32 av zirkoniumoksydet av det omhandlede slag er anbragt"i en utsparing i den ende av røret som ligger inne i forbrenningsgassen. Skiven 32 er anbragt tettsluttende ved hjelp av en passende pakning 33, f.eks.

åv asbest. Utvendig på zirkoniumoksydskiven og i berøring med røret 31 er der anbragt et elektrodebelegg 34, f.eks. av platina,og innvendig på skiven er det anbragt et lignende elektrodebelegg 35, til hvilken den éne elektrodetilførselsledning 37 for målecellen er ført. Til et annet sted i nærheten av oksydskiven 32 er ført termoelementet 40. Lederne 42 og 43 for dette, elektrodetilførselsledningen 37 samt en til røret 31 festet ledning 44 kan være samlet i en kabel, f.eks. på lignende måte som det er nærmere beskrevet i det foregående.

Målesonden kan selvsagt utformes på mange andre måter enn den viste. Således behøver oksyd-veggdelen ikke nødvendigvis være endevegg i røret, men kunne eksempelvis være en ringformet del av denne, selvom en slik konstruksjon ikke er så enkel. I stedet for å være av rustfritt stål eller annet motstandsdyktig materiale kunne røret eksempelvis være utformet av metalliserte eller metallholdige keramiske materialer eller et av de. mange velkjente dispersjonsforsterkede metaller.

Claims (1)

1. Apparat for overvåkning av forbrenningseffektivitet ved oljefyrer og lignende lukkede ildsteder ved måling av innholdet av fritt oksygen i forbrenningsgassen med en oksygenmålesonde inneholdende et i faststofftilstand oksygenionledende oksyd av zirkonium eller hafnium med høy renhet og med elektroder for uttagning av en ved oksygenionledning gjennom sonden frembragt elektromotorisk kraft som målespenning for et elektrisk over-våkningskretsløp til registrering av nevnte oksygeninnhold eller en av dette utledet størrelse, k araicterisert ved at sonden utgjøres av et til anbringelse i og oppvarming med forbrenningsgassen utformet i den ene ende lukket rør (8), av hvis vegg i det minste en del utgjøres av nevnte oksyd med nevnte elektroder tilsluttet yttersiden og innersiden, og i hvis indre der dels hersker et referense-oksygentrykk, dels er anbragt et termoelement (10), hvis tilførselsledninger er ført til overvåkningskretsløpet med henblikk på kun å registrere oksygeninnholdet ved en sondetemperatur svarende til en forutbestemt temperatur i. hver f orbrenningssyklus .

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at sonderørets indre er åpent mot atmosfæren utenfor sondens anbringelsessted, slik at denne atmosfære tilveiebringer referense-oksygentrykket.

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at det for frembringelse av et forholdsvis lavt refererise-oksygentrykk er anbragt en pulverformet metall-metalloksydblanding (9) i sondens (8) indre.

4. Apparat som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte blanding består av kobber og kupro-oksyd.

5. Apparat som angitt i et vilkårlig av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte oksyd utgjør endeveggen i et rør (31) av et annet, overfor påvirkningene fra den varme forbrenningsgass forholdsvis motstandsdyktig materiale.

6. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte rørmateriale utgjøres av et metall eller et metallisk ledende materiale, fortrinnsvis stål.

7. Apparat som angitt i krav 6, karakterisert ved at rørmaterialet utgjør den ene av elektrodetilførsels-ledningene til oksydendeveggen.

8. Apparat som angitt i et vilkårlig av kravene 1-7, karakterisert ved at det oksygenionledende oksyd er et til kubisk krystallgitterstruktur med forholdsvis høy oksygenionledningsevne stabilisert zirkoniumoksyd eller hafniumoksyd eller en blanding av disse, hvis renhet overstiger 99,5% med individuelle urenhetsbidrag på mindre enn 0.1%, og i hvilke det ikke finnes metalliske urenheter, som oksyderer ved den høyest forekommende' temperatur i forbrenningskammeret.

10. Apparat som angitt i et vilkårlig av kravene 1-8, . karakterisert ved at det elektriske overvåk-ningskretsløp omfatter en indikeringsenhet med et antall separate, visuelle indikasjoner for forutbestemte verdier av oksygeninnholdet eller den av dette utledede størrelse.