WO2014111297A1 - Gasentnahmesonde und verfahren zum betreiben einer gasentnahmesonde - Google Patents

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WO2014111297A1
WO2014111297A1 PCT/EP2014/050235 EP2014050235W WO2014111297A1 WO 2014111297 A1 WO2014111297 A1 WO 2014111297A1 EP 2014050235 W EP2014050235 W EP 2014050235W WO 2014111297 A1 WO2014111297 A1 WO 2014111297A1
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WO
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gas sampling
sampling probe
gas
cooling
annular space
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Application number
PCT/EP2014/050235
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Ludwig KÖNNING
Michael Streffing
Heinz BREDEMEIER
Alfons LEUER
Original Assignee
Thyssenkrupp Resource Technologies Gmbh
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Publication date
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    • G01N2001/2282—Devices for withdrawing samples in the gaseous state with cooling means

Definitions

  • the invention relates to a gas sampling probe with a gas sampling tube that is surrounded by an outer jacket, wherein the outer jacket defines a first annulus to be acted upon by a first cooling medium.
  • the invention further relates to a method for operating such a gas sampling probe.
  • a retraction system is additionally required as a safety device, which moves out of the process chamber in case of failure of the cooling the gas sampling probe. In this way, the gas sampling probe is protected against process heat in the event of a malfunction.
  • the safety device must have a suitable emergency power supply to allow the retraction movement under all circumstances.
  • a heat exchanger is needed for the construction of the water cooling. This can be designed as a water-air or water-water heat exchanger.
  • oil-cooled gas sampling probes are known which use a heat transfer oil for cooling. The difference to the water cycle is that the heat transfer oil can be operated in higher temperature ranges.
  • a heat exchanger is needed for the construction of the oil cooling. This can be carried out as an oil-air or oil-water heat exchanger, wherein due to the lower, required heat dissipation, compared to the water cooling, an oil-air heat exchanger is preferred. But even with an oil-cooled gas sampling probe a retraction system is needed as a safety device.
  • the invention is based on the object of specifying a gas sampling probe in which the temperature of the gas taken over the gas sampling tube (measuring gas) can be conditioned in a targeted manner.
  • a gas sampling probe with a gas sampling tube wherein the gas sampling tube is surrounded by an outer jacket and the outer jacket limited by a first cooling medium acted upon first annular space and further provided between the outer jacket and gas sampling tube independently acted upon by the second annulus with a second cooling medium second annulus is.
  • the two annular spaces are divided in the longitudinal direction of the gas sampling probe into two halves, which are connected to one another via a provided at one end of the respective annulus overflow region and one half is provided with the inflow opening and the other half with the discharge opening, wherein the Inlet and outlet openings are arranged on the other, the overflow region remote end of the respective annular space.
  • the gas to be analyzed is withdrawn via the gas sampling tube, wherein a first cooling medium is fed through a gas from the outer jacket for cooling the gas sampling probe flows limited first annular space and for further cooling of the gas sampling probe and / or conditioning of the gas to be analyzed, a second annulus is flowed through independently of the first annulus with a second cooling medium.
  • the gas sampling probe is preferably for removing hot, dusty process gases, such as waste gases in waste incineration, cement production or similar combustion plants arise.
  • hot, dusty process gases such as waste gases in waste incineration, cement production or similar combustion plants arise.
  • the two annular spaces are preferably arranged substantially concentrically around the gas sampling tube. Furthermore, the first annular space can have a first inflow opening and an outflow opening for the first cooling medium, while the second annular space is provided with a second inflow opening and a second outflow opening for the second cooling medium.
  • the two annular spaces are arranged substantially concentric with each other (parallel connection).
  • the two annular spaces can be separated from each other by an inner jacket arranged between the gas sampling tube and outer jacket, so that the first annular space is delimited by the inner jacket and the outer jacket and the second annular space by the gas withdrawal tube and the inner jacket.
  • the inner shell and the outer shell can be arranged in particular concentrically around the gas sampling tube.
  • the two annular spaces in the longitudinal direction of the gas sampling tube are arranged one behind the other (series connection), while the first annulus can be limited by the gas sampling tube and a first part of the outer shell and the second annulus by the gas sampling tube and a second part of the outer shell.
  • the first and second cooling medium air is preferably used.
  • air When using air, the temperature of the tip of the gas sampling probe can be raised in a targeted manner compared to the water cooling, in order to reduce the risk of external caking.
  • the surface temperature of the gas sampling probe is significantly lower, since the heat transfer coefficient between the water and the outer jacket is significantly greater than between the air and the outer jacket.
  • the water can dissipate more heat due to the higher heat capacity. Due to the higher operating temperature, caking or condensation in the gas sampling probe can be minimized.
  • Another advantage is that when using ambient air as the cooling medium only the use of a fan is required, so that can be dispensed with a cooling water station with heat exchanger.
  • the two cooling circuits also allow a permanent installation of the gas sampling probe, as can be dispensed with a retraction system.
  • a cooling air By using cooling air, if the cooling system fails, there will be no disturbances due to boiling coolant. A gas or vapor formation due to overheated cooling media in the annular spaces is thus excluded, so that the usual retraction device can be omitted.
  • a fixed installation has the great advantage that a false air influence can be avoided by the junction.
  • Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the gas sampling probe according to the
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along the line A-A of FIG. 2,
  • Fig. 5 is a longitudinal sectional view of the gas sampling probe according to the
  • FIG. 6 is a cross-sectional view along the line B-B of FIG. 5th
  • a gas sampling tube 2 It consists essentially of a gas sampling tube 2, an inner shell 3 and an outer shell 4, which are arranged concentrically with each other. Through the inner shell 3 and the outer shell 4, a first annular space 5 is limited. Furthermore, a second annular space 6 is formed between the gas sampling tube 2 and the inner shell 3.
  • the gas sampling probe 1 protrudes with its tip la in a hot reaction chamber, not shown, from which a gas to be analyzed (sample gas) to be taken. At the other end of the gas sampling probe a mounting flange 7 is attached.
  • the gas sampling tube 2 opens axially in the tip la of the gas sampling probe 1 with a removal opening 2a.
  • the gas sampling tube may also be bent in the region of the tip, in particular bent downwards or forwards by 90 °.
  • the other end of the Gas sampling tube is connected to a filter and / or gas analysis system not shown in connection.
  • the first annular space 5 has a first inflow opening 8 and a first outflow opening 9 for the first cooling medium 10.
  • the second annular space 6 is equipped with a second inflow opening 11 and a second outflow opening 12 for a second cooling medium 13.
  • the two annular spaces 5, 6 are each divided over two partitions 14, 15 and 16, 17 in two semicircular halves formed over a provided in the tip of la gas sampling probe overflow each other are connected, which are indicated by arrows 18 and 19, respectively.
  • the inlet and outlet openings of the two annular spaces 5, 6 are arranged at the end of the gas sampling probe opposite the tip la.
  • the overflow areas (arrows 18, 19) are realized, for example, in that the partitions 14, 15 or 16, 17 do not reach all the way to the tip 1a of the gas sampling probe and thereby form an opening from the lower to the upper half.
  • the two cooling media 10, 13 flow in the lower half of the respective annular spaces 5, 6 over the entire length of the gas sampling probe 1 to the tip la and reach there via the overflow regions 18, 19 in the upper halves of the annular spaces and flow back there to the outflow openings 9, 12.
  • the flow directions in one or both annular spaces can also be reversed.
  • the partitions do not have to be installed horizontally.
  • the parallel connection of the two cooling circuits, shown in FIGS. 1 to 3, results in two cooling zones lying one inside the other.
  • the outer cooling area first annular space
  • the inner cooling circuit second annular space
  • the inner shell 3 as shown in Figures 2 and 3, also be formed double-walled, wherein the space is optionally provided with an insulating layer (air, vacuum, insulation).
  • the inner cooling region (second annulus 6) conditions the gas to be analyzed (sample gas) so that it is adapted to its temperature for use in a connected filter and / or gas analysis system.
  • the two cooling circuits are provided with at least one air source, e.g. a fan 20 operated, wherein for example via throttle valves 21, 22, the cooling capacity can be adjusted. Excess cooling air is removed via a bypass 23.
  • the temperature in the gas sampling tube can be set independently of the conditions in the external cooling system.
  • a gas sampling probe according to a second embodiment is described below with reference to FIGS. 4 to 6, in which the two annular spaces 5 ', 6' are connected in series.
  • the gas sampling probe in turn has a gas sampling tube 2 'that is surrounded by an outer jacket 4'.
  • the outer jacket 4 ' is formed here by two parts 4'a and 4'b arranged one behind the other in the longitudinal direction, which are each formed concentrically around the gas sampling tube 2'.
  • first annular space 5 ' Between the first part 4'a of the outer jacket 4 'and the gas sampling tube 2' is a first annular space 5 'and between the second part 4'b of the outer shell 4' and the gas sampling tube 2 ', a second annular space 6' is formed, which via a Junction 24 'are interconnected such that the gas sampling tube 2' is continuous over its entire length, while the two axially successively arranged annular spaces 5 ', 6' are separated from each other.
  • the first annular space 5 ' in turn has a first inflow opening 8' and a first outflow opening 9 'which are provided at the end of the first annulus 5' remote from the tip 1 'a of the gas sampling probe.
  • the first annular space 5 ' is again divided by partition walls 14 ', 15' in two halves, wherein in the region of the tip l 'a of the gas sampling probe again an overflow region 18' is present.
  • the second annular space 6 ' is provided with a second inflow opening 11' and a second outflow opening 12 'for the second cooling medium 13'.
  • This ring area is in turn divided by partition walls into two semicircular halves formed and at the end of the inflow and outflow openings opposite end provided with an overflow 19 '.
  • the two annular spaces 5 ', 6' are supplied in a consistent manner via at least one air source, such as a fan 20 ', with cooling air, for example, via throttle valves 21', 22 ', the cooling capacity can be adjusted. Excess cooling air is removed via a bypass 23 '.
  • the series connection of the cooling circuits shown in FIGS. 4 to 6 makes it possible to more strongly cool the front part of the gas sampling probe with the tip 1 'a in the hot region than the rear part of the gas sampling probe. This makes it possible to realize a strong cooling effect in the front region (first annular space 5 ') of the gas outlet.
  • the rapid cooling also prevents CO burn-out, so that the gas analysis can generate reliable CO values.
  • the strong cooling in the front region of the gas sampling probe 1 ' ensures the required machine protection of the tip l' a in the hot area.
  • the withdrawn gas is adjusted / conditioned by a moderate cooling to the desired withdrawal temperature.
  • the gas sampling probes 1 described above are suitable by the cooling concept in conjunction with suitable materials for an emergency, in which the cooling air fails.
  • the peaks la, l 'a of the gas sampling probes 1 reaches temperatures similar to the process space.
  • the temperature at the gas outlet (the tip, l 'a far end) of the gas sampling probe can not be controlled in this case, however.
  • an austenitic heat-resistant steel is used in the area of the hot tip. Due to the good heat resistance and the good resistance in sulphurous atmospheres, this steel is superior to other heat resistant steels for this application.
  • the sigma phase embrittlement which otherwise occurs in the temperature range from 600 ° C. to 900 ° C. is not pronounced in the case of this material. All other parts in the hot zone are expediently also made of this material.
  • the outer jacket 4, 4 'with an austenitic, heat-resistant steel, in particular the material 1.4845 it is possible to operate the gas sampling probes 1, even without supply of cooling air in the installed state.
  • cooling air as the cooling medium, if the cooling system fails, there will be no disturbances due to boiling coolant. A gas or vapor formation due to overheated cooling media in the annular spaces is thus excluded.
  • the otherwise usual retraction device, which moves the gas sampling probe for safety reasons from the hot area, can therefore be omitted.
  • the gas sampling probes can be used in process rooms where gas temperatures up to 1200 ° C occur.
  • the required target temperature of the sample gas from 100 ° C to 600 ° C, in particular 150 ° C to 400 ° C can be achieved.
  • the sucked cooling air is removed from the environment and has accordingly the prevailing ambient temperature.
  • the temperature may vary depending on the inlet temperature.
  • the inlet temperature can be between -20 ° and 400 °, whereby outlet temperatures between 50 ° C and 600 ° C occur.
  • the required cooling air volume flow is usually between 20 m 3 / h to 750 m 3 / h. Under certain circumstances, it is also necessary to condition the cooling air, in particular to heat.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasentnahmesonde mit einem Gasentnahmerohr, wobei das Gasentnahmerohr von einem Außenmantel umgeben ist und der Außenmantel einen von einem ersten Kühlmedium beaufschlagbaren ersten Ringraum begrenzt und weiterhin zwischen Außenmantel und Gasentnahmerohr ein unabhängig vom ersten Ringraum mit einem zweiten Kühlmedium beaufschlagbarer zweiter Ringraum vorgesehen ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die beiden Ringräume in Längsrichtung der Gasentnahmesonde in zwei Hälften unterteilt, die über einen an einem Ende des jeweiligen Ringraums vorgesehenen Überströmbereich miteinander verbunden sind und die eine Hälfte mit der Zuströmöffnung und die andere Hälfte mit der Abströmöffnung versehen ist, wobei die Zu- und Abströmöffnungen an dem anderen, dem Überströmbereich entfernten Ende des jeweiligen Ringraums angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasentnahmesonde.

Description

Gasentnahmesonde und Verfahren zum Betreiben einer Gasentnahmesonde
Die Erfindung betrifft eine Gasentnahmesonde mit einem Gasentnahmerohr, dass von einem Außenmantel umgeben ist, wobei der Außenmantel einen von einem ersten Kühlmedium beaufschlagbaren ersten Ringraum begrenzt. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gasentnahmesonde.
Aus der DE 103 15 996 AI ist eine Sonde zur Entnahme einer Gasprobe aus einem heißen Reaktionsraum bekannt, wobei ein durch einen Außenmantel begrenzter Ringraum mit Kühlwasser durchströmt wird. Da der Siedepunkt des Wassers nicht erreicht werden darf, liegt die maximale Rücklauftemperatur bei ca. 90°C. Bei diesen niedrigen Temperaturen können aber Taupunktunterschreitungen innerhalb der Gasentnahmesonde nicht sicher ausgeschlossen werden. Deshalb wird bei einigen Herstellern das Gasentnahmerohr zusätzlich elektrisch beheizt, umso die Taupunktunterschreitungen im Messgas zu verhindern. In der DE 103 15 996 AI wird die Taupunktunterschreitung dadurch verhindert, dass das Gasentnahmerohr mit einem evakuierbaren Hohlraum umgeben ist. Durch die starke Wasserkühlung wird aber der äußere Teil der Gasentnahmesonde unnötig stark abgekühlt, wobei eine zu kalte Spitze der Gasentnahmesonde im heißen Prozessgas zu Ansatzbildung neigen kann.
Wird die Gasentnahmesonde in einem sehr heißem Prozessgas eingesetzt, wird zusätzlich als Sicherheitseinrichtung ein Rückzugssystem benötigt, welches bei einem Ausfall der Kühlung die Gasentnahmesonde aus dem Prozessraum herausfährt. So wird die Gasentnahmesonde im Störfall vor der Prozesswärme geschützt. Dabei muss die Sicherheitseinrichtung eine geeignete Notstromversorgung aufweisen, um die Rückzugsbewegung unter allen Umständen zu ermöglichen. Apparativ wird für den Aufbau der Wasserkühlung ein Wärmetauscher benötigt. Dieser kann als Wasser-Luft- oder Wasser- Wasser- Wärmetauscher ausgeführt sein. Des Weiteren sind ölgekühlte Gasentnahmesonden bekannt, die zur Kühlung ein Wärmeträgeröl einsetzen. Der Unterschied zum Wasserkreislauf besteht darin, dass das Wärmeträgeröl in höheren Temperaturbereichen betrieben werden kann. Dadurch kann eine zusätzliche Heizung des Gasentnahmerohres entfallen. Problematisch ist das Wärmeträgeröl aber hinsichtlich Leckagen zu beurteilen, da hier eine Brandgefährdung nicht auszuschließen ist. Apparativ wird für den Aufbau der Ölkühlung ein Wärmetauscher benötigt. Diese kann als Öl-Luft- oder Öl- Wasser- Wärmetauscher ausgeführt, wobei aufgrund der geringeren, benötigten Wärmeabfuhr, im Vergleich zur Wasserkühlung, ein Öl-Luft- Wärmetauscher bevorzugt wird. Aber auch bei einer ölgekühlten Gasentnahmesonde wird als Sicherheitseinrichtung ein Rückzugssystem benötigt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Gasentnahmesonde anzugeben, bei der die Temperatur des über das Gasentnahmerohr entnommenen Gases (Messgas) gezielt konditioniert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Gasentnahmesonde mit einem Gasentnahmerohr gelöst, wobei das Gasentnahmerohr von einem Außenmantel umgeben ist und der Außenmantel einen von einem ersten Kühlmedium beaufschlagbaren ersten Ringraum begrenzt und weiterhin zwischen Außenmantel und Gasentnahmerohr ein unabhängig vom ersten Ringraum mit einem zweiten Kühlmedium beaufschlagbarer zweiter Ringraum vorgesehen ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die beiden Ringräume in Längsrichtung der Gasentnahmesonde in zwei Hälften unterteilt, die über einen an einem Ende des jeweiligen Ringraums vorgesehenen Überströmbereich miteinander verbunden sind und die eine Hälfte mit der Zuströmöffnung und die andere Hälfte mit der Abströmöffnung versehen ist, wobei die Zu- und Abströmöffnungen an dem anderen, dem Überströmbereich entfernten Ende des jeweiligen Ringraums angeordnet sind.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Gasentnahmesonde wird das zu analysierende Gas über das Gasentnahmerohr entnommen, wobei zur Kühlung der Gasentnahmesonde ein erstes Kühlmedium durch einen vom Außenmantel begrenzten ersten Ringraum strömt und zur weiteren Kühlung der Gasentnahmesonde und/oder Konditionierung des zu analysierenden Gases ein zweiter Ringraum unabhängig vom ersten Ringraum mit einem zweiten Kühlmedium durchströmt wird.
Die Gasentnahmesonde wird vorzugsweise zur Entnahme heißer, staubiger Prozessgase, wie beispielsweise von Abgasen bei der Müllverbrennung, der Zementherstellung oder ähnlichen Feuerungsanlagen entstehen. Durch das Vorsehen von zwei voneinander getrennten Kühlkreisläufen kann das aus dem Prozessraum abgezogene Messgas in einen adäquaten Temperaturbereich gebracht werden. So kann insbesondere ein Kühlkreislauf im Wesentlichen für die Kühlung der Gasentnahmesonde und der andere Kühlkreislauf für die Konditionierung des Messgases vorgesehen werden. Auf diese Weise ist eine einfache Einstellung der Messgastemperatur möglich.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die beiden Ringräume sind vorzugsweise im Wesentlichen konzentrisch um das Gasentnahmerohr angeordnet. Weiterhin kann der erste Ringraum eine erste Zuströmöffnung und eine Abströmöffnung für das erste Kühlmedium aufweisen, während der zweite Ringraum mit einer zweiten Zuströmöffnung und einer zweiten Abströmöffnung für das zweite Kühlmedium versehen ist.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Ringräume im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet (Parallelschaltung). Dabei können die beiden Ringräume durch einen zwischen Gasentnahmerohr und Außenmantel angeordneten Innenmantel voneinander getrennt werden, sodass der erste Ringraum durch den Innenmantel und den Außenmantel und der zweite Ringraum durch das Gasentnahmerohr und den Innenmantel begrenzt wird. Dabei kann der Innenmantel und der Außenmantel insbesondere konzentrisch um das Gasentnahmerohr angeordnet werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, den Innenmantel mehrwandig und/oder isoliert auszubilden, um die beiden Kühlkreisläufe besser voneinander zu trennen. Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Ringräume in Längsrichtung des Gasentnahmerohres hintereinander angeordnet (Reihenschaltung), dabei kann der erste Ringraum durch das Gasentnahmerohr und einen ersten Teil des Außenmantels und der zweite Ringraum durch das Gasentnahmerohr und einen zweiten Teil des Außenmantels begrenzt werden.
Als erstes und zweites Kühlmedium wird vorzugsweise Luft eingesetzt. Bei der Verwendung von Luft kann im Vergleich zur Wasserkühlung die Temperatur der Spitze der Gasentnahmesonde gezielt angehoben werden, um die Gefahr von äußeren Anbackungen zu mindern. Dies hat den Hintergrund, dass bei der Wasserkühlung die Oberflächentemperatur der Gasentnahmesonde deutlich geringer ist, da der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wasser und Außenmantel deutlich größer ist als zwischen Luft und Außenmantel. Zusätzlich kann das Wasser aufgrund der höheren Wärmekapazität mehr Wärme abführen. Durch die höhere Betriebstemperatur können zudem Anbackungen bzw. eine Kondensation in der Gasentnahmesonde minimiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Verwendung von Umgebungsluft als Kühlmedium lediglich der Einsatz eines Ventilators erforderlich ist, sodass auf eine Kühlwasserstation mit Wärmetauscher verzichtet werden kann.
Die beiden Kühlkreisläufe ermöglichen außerdem einen Festeinbau der Gasentnahmesonde, da auf ein Rückzugssystem verzichtet werden kann. Durch Verwendung von Kühlluft treten bei Ausfall des Kühlsystems keine Störungen durch siedende Kühlflüssigkeiten auf. Eine Gas- bzw. Dampfbildung aufgrund überhitzter Kühlmedien in den Ringräumen ist somit ausgeschlossen, sodass die übliche Rückzugsvorrichtung entfallen kann. Außerdem hat ein Festeinbau den großen Vorteil, dass ein Falschlufteinfluss durch die Anschlussstelle vermieden werden kann.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung der Gasentnahmesonde mit den beiden Ringräumen in Parallelschaltung,
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung der Gasentnahmesonde gemäß dem
Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Querschnittdarstellung längs der Linie A-A der Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische Prinzipdarstellung der Gasentnahmesonde mit den beiden Ringräumen in Reihenschaltung,
Fig. 5 eine Längsschnittdarstellung der Gasentnahmesonde gemäß dem
Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 4 und
Fig. 6 eine Querschnittdarstellung längs der Linie B-B der Fig. 5.
In den Figuren 1 bis 3 ist eine Gasentnahmesonde 1 gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel dargstellt.
Sie besteht im Wesentlichen aus einem Gasentnahmerohr 2, einem Innenmantel 3 und einem Außenmantel 4, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch den Innenmantel 3 und den Außenmantel 4 wird ein erster Ringraum 5 begrenzt. Weiterhin ist zwischen dem Gasentnahmerohr 2 und dem Innenmantel 3 ein zweiter Ringraum 6 ausgebildet.
Die Gasentnahmesonde 1 ragt mit ihrer Spitze la in einen nicht näher dargestellten heißen Reaktionsraum, aus dem ein zu analysierendes Gas (Messgas) entnommen werden soll. Am anderen Ende der Gasentnahmesonde ist ein Befestigungsflansch 7 angebracht.
Das Gasentnahmerohr 2 mündet axial in der Spitze la der Gasentnahmesonde 1 mit einer Entnahmeöffnung 2a aus. Im Rahmen der Erfindung kann das Gasentnahmerohr im Bereich der Spitze auch abgebogen, insbesondere um 90° nach unten oder oben abgebogen, ausgebildet sein. Das andere Ende des Gasentnahmerohres steht mit einem nicht näher dargestellten Filter und/oder Gasanalysesystem in Verbindung.
Der erste Ringraum 5 weist eine erste Zuströmöffnung 8 und eine erste Abströmöffnung 9 für das erste Kühlmedium 10 auf. In entsprechender Weise ist der zweite Ringraum 6 mit einer zweiten Zuströmöffnung 11 und einer zweiten Abströmöffnung 12 für ein zweites Kühlmedium 13 ausgestattet. Aus der Querschnittdarstellung gemäß Fig. 3 wird ersichtlich, dass die beiden Ringräume 5, 6 jeweils über zwei Trennwände 14, 15 bzw. 16, 17 in zwei halbkreisförmig ausgebildete Hälften unterteilt sind, die über einen im Bereich der Spitze la der Gasentnahmesonde vorgesehenen Überströmbereich miteinander verbunden sind, die durch Pfeile 18 bzw. 19 angedeutet sind. Die Zu- und Abströmöffnungen der beiden Ringräume 5, 6 sind an dem der Spitze la entgegengesetzten Ende der Gasentnahmesonde angeordnet. Die Überströmbereiche (Pfeile 18, 19) werden beispielsweise dadurch realisiert, dass die Trennwände 14, 15 bzw. 16, 17 nicht ganz bis zur Spitze la der Gasentnahmesonde reichen und dadurch eine Öffnung von der unteren zur oberen Hälfte bilden.
Wie aus den Strömungspfeilen der Fig. 2 hervorgeht, strömen die beiden Kühlmedien 10, 13 in der unteren Hälfte der jeweiligen Ringräume 5, 6 über die gesamte Länge der Gasentnahmesonde 1 bis zu deren Spitze la und gelangen dort über die Überströmbereiche 18, 19 in die oberen Hälften der Ringräume und strömen dort zurück bis zu den Abströmöffnungen 9, 12. Selbstverständlich können die Strömungsrichtungen in einem oder beiden Ringräumen auch umgekehrt werden. Auch müssen die Trennwände nicht horizontal eingebaut werden.
Durch die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Parallelschaltung der beiden Kühlkreisläufe entstehen zwei ineinander liegende Kühlbereiche. Der äußere Kühlbereich (erster Ringraum) führt die Wärme aus den Umgebungsbedingungen ab, sodass der innere Kühlkreislauf (zweiter Ringraum) von den Einflüssen durch die Außenwandung 4 vollständig entkoppelt wird. Um diese Entkopplung noch weiter zu verbessern, kann der Innenmantel 3, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, auch doppelwandig ausgebildet werden, wobei der Zwischenraum wahlweise mit einer Isolierschicht (Luft, Vakuum, Isolation) versehen ist.
Durch die äußere Kühlung entsteht ein thermischer Schutz des inneren Systems (Gasentnahmerohr 2 und zweiter Ringraum 6), wobei die Wärmezufuhr aus der Einbausituation vom inneren System ferngehalten wird. Der innere Kühlbereich (zweiter Ringraum 6) konditioniert das zu analysierende Gas (Messgas), sodass es von seiner Temperatur für die Verwendung in einen angeschlossenen Filter und/oder Gasanalysesystem angepasst ist.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, werden die beiden Kühlkreisläufe mit mindestens einer Luftquelle, z.B. einem Ventilator 20 betrieben, wobei beispielsweise über Drosselventile 21, 22 die Kühlleistung eingestellt werden kann. Überschüssige Kühlluft wird über einen Bypass 23 abgeführt. Bei Verwendung von zwei Luftquellen kann die Temperatur im Gasentnahmerohr unabhängig von den Bedingungen im äußeren Kühlsystem eingestellt werden.
Anhand der Figuren 4 bis 6 wird nachfolgend eine Gasentnahmesonde gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, bei der die beiden Ringräume 5', 6' in Reihe geschaltet sind. Die Gasentnahmesonde weist wiederum ein Gasentnahmerohr 2' auf, dass von einem Außenmantel 4' umgeben ist. Der Außenmantel 4' wird hier durch zwei in Längsrichtung hintereinander angeordnete Teile 4'a und 4'b gebildet, die jeweils konzentrisch um das Gasentnahmerohr 2' ausgebildet sind. Zwischen dem ersten Teil 4'a des Außenmantels 4' und dem Gasentnahmerohr 2' wird ein erster Ringraum 5' und zwischen dem zweiten Teil 4'b des Außenmantels 4' und dem Gasentnahmerohr 2' wird ein zweiter Ringraum 6' gebildet, die über eine Verbindungsstelle 24' derart miteinander verbunden sind, dass das Gasentnahmerohr 2' über seine gesamte Länge durchgängig ist, während die beiden axial hintereinander angeordneten Ringräume 5', 6' voneinander getrennt sind. Der erste Ringraum 5' weist wiederum eine erste Zuströmöffnung 8' und eine erste Abströmöffnung 9' auf, die an dem der Spitze l 'a der Gasentnahmesonde entfernten Ende des ersten Ringraums 5 ' vorgesehen sind. Der erste Ringraum 5 ' ist auch wieder durch Trennwände 14', 15' in zwei Hälften unterteilt, wobei im Bereich der Spitze l 'a der Gasentnahmesonde wiederum ein Überströmbereich 18' vorhanden ist.
Der zweite Ringraum 6' ist mit einer zweiten Zuströmöffnung 1 1 ' und einer zweiten Abströmöffnung 12' für das zweite Kühlmedium 13' versehen. Auch dieser Ringbereich ist wiederum über Trennwände in zwei halbkreisförmige ausgebildete Hälften unterteilt und an dem der Ab- und Zuströmöffnungen entgegengesetzten Ende mit einem Überströmbereich 19' versehen.
Die beiden Ringräume 5', 6' werden in übereinstimmender Weise über mindestens eine Luftquelle, beispielsweise einen Ventilator 20', mit Kühlluft versorgt, wobei beispielsweise über Drosselventile 21 ', 22' die Kühlleistung eingestellt werden kann. Überschüssige Kühlluft wird über einen Bypass 23 ' abgeführt.
Die in den Figuren 4 bis 6 gezeigte Reihenschaltung der Kühlkreisläufe ermöglicht es, den vorderen Teil der Gasentnahmesonde mit der Spitze l 'a im Heißbereich stärker zu kühlen als den hinteren Teil der Gasentnahmesonde . Dadurch ist es möglich, eine starke Kühlwirkung im vorderen Bereich (erster Ringraum 5') des Gasabzuges zur realisieren. Die schnelle Abkühlung verhindert zusätzlich einen CO- Ausbrand, sodass die Gasanalyse zuverlässige CO-Werte generieren kann. Außerdem sichert die starke Kühlung im vorderen Bereich der Gasentnahmesonde 1 ' den erforderlichen Maschinenschutz der Spitze l 'a im heißen Bereich. Im hinteren Bereich (zweiter Ringraum 6') wird das abgezogene Gas durch eine moderate Kühlung auf die gewünschte Abzugstemperatur eingestellt/konditioniert.
Die oben beschriebenen Gasentnahmesonden 1, eignen sich durch das Kühlkonzept in Verbindung mit geeigneten Werkstoffen auch für einen Notlauf, bei dem die Kühlluft ausfällt. In diesem Zustand erreicht die Spitzen la, l 'a der Gasentnahmesonden 1, ähnliche Temperaturen wie der Prozessraum. Die Temperatur am Gasaustritt (dem der Spitze , l 'a entfernten Ende) der Gasentnahmesonde kann in diesem Fall allerdings nicht mehr geregelt werden. Im Bereich der heißen Spitze, welche zusätzlich mit der Ofenatmosphäre in Kontakt gerät, wird insbesondere ein austenitischer hitzebeständiger Stahl verwendet. Aufgrund der guten Hitzebeständigkeit sowie der guten Beständigkeit in schwefligen Atmosphären ist dieser Stahl anderen hitzebeständigen Stählen für diesem Einsatzfall überlegen. Die sonst im Temperaturbereich von 600°C bis 900°C auftretende Sigmaphasenversprödung ist bei diesem Werkstoff nicht ausgeprägt. Alle weiteren Teile im Heißbereich sind zweckmäßigerweise ebenfalls aus diesem Werkstoff zu fertigen.
Indem der Außenmantel 4, 4' mit einem austenitischen, hitzebeständigen Stahl, insbesondere dem Werkstoff 1.4845, gefertigt wird, ist ein Betrieb der Gasentnahmesonden 1, auch ohne Kühlluftversorgung im eingebauten Zustand möglich. Durch die Verwendung von Kühlluft als Kühlmedium treten bei Ausfall des Kühlsystems keine Störungen durch siedende Kühlflüssigkeiten auf. Eine Gas- bzw. Dampfbildung aufgrund überhitzter Kühlmedien in den Ringräumen ist somit ausgeschlossen. Die sonst übliche Rückzugsvorrichtung, welche die Gasentnahmesonde aus Sicherheitsgründen aus dem Heißbereich verfährt, kann daher entfallen.
Die Gasentnahmesonden können in Prozessräumen eingesetzt werden, wo Gastemperaturen bis 1200°C auftreten. Mit Hilfe der beiden Kühlkreisläufe kann die geforderte Zieltemperatur des Messgases von 100°C bis 600°C, insbesondere 150°C bis 400°C erreicht werden. Hierfür wird die angesaugte Kühlluft aus der Umgebung entnommen und besitzt entsprechend die herrschende Umgebungstemperatur. Am Kühlluftaustritt kann die Temperatur je nach Eintrittstemperatur durchaus variieren. Die Eintrittstemperatur kann zwischen -20° und 400° liegen, wobei Austrittstemperaturen zwischen 50°C und 600°C auftreten. Der hierfür erforderliche Kühlluftvolumenstrom beträgt üblicherweise zwischen 20 m3/h bis 750 m3/h. Unter Umständen ist es auch erforderlich, die Kühlluft zu konditionieren, insbesondere aufzuheizen.

Claims

Patentansprüche
1. Gasentnahmesonde (1, ) mit einem Gasentnahmerohr (2, 2'), das von einem Außenmantel (4, 4') umgebenen ist, wobei der Außenmantel (4, 4') einen von einem ersten Kühlmedium (10, 10') beaufschlagbaren ersten Ringraum (5, 5') begrenzt, und zwischen Außenmantel (4, 4') und Gasentnahmerohr (2, 2') ein unabhängig vom ersten Ringraum (5, 5') mit einem zweiten Kühlmedium (13, 13 ') beaufschlagbarer zweiter Ringraum (6, 6') vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5, 5', 6, 6') mittels zweier Trennwände in zwei Hälften unterteilt sind, die über einen an einem Ende des jeweiligen Ringraums vorgesehenen Überströmbereich (18, 18', 19, 19') miteinander verbunden sind und die eine Hälfte mit einer Zuströmöffnung (8, 8', 11, 11 ') und die andere Hälfte mit einer Abströmöffnung (9, 9', 12, 12') versehen ist, wobei die Zu- und Abströmöffnungen an dem anderen, dem Überströmbereich entfernten Ende des jeweiligen Ringraums (5, 5', 6, 6') angeordnet sind.
2. Gasentnahmesonde (1, ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hälften jedes Ringraums im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet sind.
3. Gasentnahmesonde (1, ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5, 5', 6, 6') im Wesentlichen konzentrisch um das Gasentnahmerohr (2, 2') angeordnet sind.
4. Gasentnahmesonde (1, ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringraum (5, 5') eine erste Zuströmöffnung (8, 8') und eine erste Abströmöffnung (9, 9') für das erste Kühlmedium (10, 10') aufweist und der zweite Ringraum (6, 6') mit einer zweiten Zuströmöffnung (11, 11 ') und einer zweiten Abströmöffnung (12, 12') für das zweite Kühlmedium (13) versehen ist.
5. Gasentnahmesonde (1, ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5, 5', 6, 6') im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
6. Gasentnahmesonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5, 6) durch einen zwischen Gasentnahmerohr (2) und Außenmantel (4) angeordneten Innenmantel (3) voneinander getrennt werden, sodass der erste Ringraum (5) durch den Innenmantel und den Außenmantel und der zweite Ringraum (6) durch das Gasentnahmerohr (2) und den Innenmantel begrenzt wird.
7. Gasentnahmesonde (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Innenmantel (3) und Außenmantel (4) konzentrisch um das Gasentnahmerohr (2) angeordnet sind.
8. Gasentnahmesonde (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (3) mehrwandig und/oder isoliert ausgebildet ist.
9. Gasentnahmesonde ( ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5', 6') in Längsrichtung des Gasentnahmerohrs (2') hintereinander angeordnet sind.
10. Gasentnahmesonde ( ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringraum (5') durch das Gasentnahmerohr (2') und einen ersten Teil des Außenmantels (4'a) und der zweite Ringraum (6') durch das Gasentnahmerohr (2') und einen zweiten Teil (4'b) des Außenmantels (4') begrenzt wird.
11. Gasentnahmesonde ( ) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Festeinbau der Gasentnahmesonde in einen Prozessraum.
12. Verfahren zum Betreiben einer Gasentnahmesonde (1, ), die von einem Außenmantel (4, 4') umgeben ist, wobei ein zu analysierendes Gas über das Gasentnahmerohr (2, 2') entnommen wird und zur Kühlung der Gasentnahmesonde (2, 2') ein erstes Kühlmedium (10, 10') durch einen vom Außenmantel (4, 4') begrenzten, eine Zuströmöffnung (8, 8') und eine Abströmöffnung (9, 9') aufweisenden, ersten Ringraum (5, 5') strömt, wobei zur weiteren Kühlung der Gasentnahmesonde (2, 2') und/oder Konditionierung des zu analysierenden Gases ein, eine Zuströmöffnung (11, 11 ') und eine Abströmöffnung (12, 12') aufweisender, zweiter Ringraum (6, 6') unabhängig vom ersten Ringraum (5, 5') mit einem zweiten Kühlmedium (13, 13') durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5, 5', 6, 6') mittels zweier
Trennwände in zwei Hälften unterteilt sind, die über einen an einem Ende des jeweiligen Ringraums vorgesehenen Überströmbereich (18, 18', 19, 19') miteinander verbunden sind und die beiden Kühlmedien (10, 10'; 13, 13') in der einen Hälfte der jeweiligen Ringräume 5, 6 von der Zuströmöffnung (8, 8', 11, 11 ') über die gesamte Länge der Gasentnahmesonde (1) bis zu deren Spitze (la) strömen und dort über die Überströmbereiche (18, 18', 19, 19') in die andere Hälfte der Ringräume gelangen und dort zurück bis zu den Abströmöffnungen (9, 9', 12, 12') strömen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Luft als erstes und zweites Kühlmedium (10, 10', 13, 13') eingesetzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5, 6) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind und das erste Kühlmedium (10) am Außenmantel (4) zur Kühlung desselben entlang strömt und das zweite Kühlmedium (13) am Gasentnahmerohr (2) zur Konditionierung des zu analysierenden Gases entlang strömt.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringräume (5', 6') in Längsrichtung des Gasentnahmerohrs (2') hintereinander angeordnet sind, sodass das erste und zweite Kühlmedium (10', 13') sowohl zur Kühlung des Außenmantels (4') als auch zur Konditionierung des zu analysierenden Gases eingesetzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlmedien mit einer Temperatur im Bereich von Umgebungstemperatur und 400 °C den Ringräumen zugeführt wird.
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