DE19729712C1 - Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat, der einen Gasraum mit feststoffbeladenen Gaswirbeln aufweist, - mit
einem die Sonde enthaltenden sowie zum Gasraum des Ap­ parates offenen Schutzrohr und
einem von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel an der Außenseite des Schutzrohres,
wobei das Schutzrohr von einem feststofffreien Fluid durch­ strömt ist, welches als Freistrahl in den Gasraum des Appa­ rates eintritt. Bei der Vorrichtung kann es sich beispiels­ weise um eine Flammüberwachungseinrichtung für eine Kohle­ feuerungsanlage handeln, die an der Apparatewand neben ei­ nem Kohlebrenner angeordnet ist. Andere Anwendungen sollen jedoch nicht ausgeschlossen sein.

Sonden, die zu Meß- oder Überwachungszwecken in thermisch hoch beanspruchten Apparaten eingesetzt werden, bedürfen regelmäßig einer Kühlung. Sie werden daher in eine Vorrich­ tung eingesetzt, die einen von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel aufweist. Bei Anwesenheit von schmelzflüssigen Partikeln im Gasraum des Apparates neigt die Vorrichtung zur Verkrustung, weil schmelzflüssige Partikel auf den ge­ kühlten Flächen erstarren. Es hat nicht an Versuchen ge­ fehlt, um die einer Sonde zugeordnete Meßöffnung der Vor­ richtung von Verkrustungen frei zu halten, indem die Sonde mittels kalter Inertgase um- oder angeströmt wird (vgl. Gaswärme International 45 (1996), Heft 4/5, Seiten 178 bis 188, insbesondere Fig. 3). An den Ausströmstellen der kal­ ten Inertgase bilden sich jedoch Verkrustungen, die die Strömungsgeometrie so verändern, daß die Um- oder Anströ­ mung der Sonde schon nach kurzer Zeit nicht mehr korrekt erfolgen kann.

Maßnahmen zur Vermeidung von Ablagerungen oder Verkrustun­ gen sind beispielsweise aus DE 37 36 417 C2 und aus GB 22 28 070 A bekannt. Aus DE 37 36 417 C2 ist eine kombi­ nierte Zünd- und Überwachungseinrichtung für Brenner be­ kannt, wobei innerhalb eines Hüllrohres ein Tubus angeord­ net ist, an dessen oberen Ende sich ein Laser für eine La­ serzündung befindet. Am unteren Ende des Tubus ist eine Sammellinse angeordnet. Ein zwischen Tubus und Hüllrohr be­ findlicher Zwischenraum wird mit Spülgas beaufschlagt. Das reaktionsraumseitige Ende des Hüllrohres ist als Düse mit einer Mündung so gestaltet, daß eine Verschmutzung der am unteren Ende des Tubus angeordneten Sammellinse ausge­ schlossen ist. - Aus GB 22 28 070 A ist ein Ofen für die Verbrennung von pulversisierter Kohle bekannt. An der Rück­ seite des Ofens sind Luftdüsen angeordnet, so daß vor der Rückwand ein Luftvorhang aufbaubar ist, der die Rückwand unter anderem vor Ascheablagerungen schützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiter auszubilden, daß sie ohne Gefahr einer Verkrustung durch Ablagerung schmelz­ flüssiger Partikel im Meßbereich der Sonde über einen lan­ gen Zeitraum betriebssicher arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Schutzrohr aus einem Kernrohr sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr besteht und daß der Kühlman­ tel an der Stirnseite des Schutzrohres vorsteht sowie einen zum Gasraum trichterförmig sich erweiternden Mündungsbe­ reich begrenzt, wobei das Kernrohr die Sonde enthält und drallfrei von dem Fluid durchströmbar ist und wobei aus dem Strömungsringraum zwischen dem Kernrohr und dem Mantelrohr eine Drallströmung des Fluids austritt, die sich entlang der sich trichterförmig erweiternden Stirnflläche des Mün­ dungsbereiches ausbreitet und die einen Kontakt klebefähi­ ger Feststoffpartikel aus dem Gasraum des Apparates mit dem Kühlmantel im Mündungsbereich verhindert. Als Fluid sind feststofffreie Inertgase, z. B. Stickstoff, oder Dampf ein­ setzbar. Der aus dem Strömungsringraum austretende ver­ drallte Gas- oder Dampfstrom bewegt sich mit hoher Strö­ mungsenergie entlang der sich trichterförmig erweiternden Stirnfläche der Vorrichtung und verhindert einen Kontakt von klebefähigen Partikeln aus dem Gasraum mit dem gekühlten Mündungsbereich der Vorrichtung. Strömungsberech­ nungen zeigen, daß keine störenden Gaswirbel aus dem Gas­ raum des Apparates die Stirnfläche der Vorrichtung errei­ chen. Bei ausreichender kinetischer Energie des Fluids ist gewährleistet, daß in Gaswirbeln mitgeführte Feststoffpar­ tikel den wandnahen Gasfilm des Fluids nicht durchdringen können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erstreckt sich der trichterförmige Mündungsbereich bis zum Außenum­ fang des Kühlmantels, wobei der Übergang zwischen dem Mün­ dungsbereich und der umfangsseitigen Begrenzung des Kühl­ mantels zweckmäßig als scharfkantiger Rand ausgebildet ist. Der scharfkantige Rand trägt dazu bei, daß von dem randsei­ tigen Umfang ausgehend keine Ablagerungen in den Mündungs­ bereich hineinwachsen können. Über einen langen Betriebs­ zeitraum bleibt eine staupunktfreie Strömung des Fluids im Mündungsbereich der Vorrichtung sichergestellt.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß der Kühlmantel einen von dem Schutzrohr und einem konzentri­ schen Außenrohr begrenzten Ringraum aufweist und in dem Ringraum ein Leitrohr angeordnet ist, welches das Kühlmedi­ um an den Wänden des Kühlmantels entlang führt.

Zur Drallerzeugung kann in den Strömungsringraum zwischen dem Kernrohr und dem Mantelrohr ein Dralleinsatz, vorzugs­ weise in Form eines eingängigen Impellers eingebaut sein. Die Drallerzeugung kann aber auch durch eine geeignete Strömungszuführung zum Strömungsringraum erfolgen. Der Strömungsringraum weist bei dieser Ausführung mindestens eine tangential anschließende Fluidzuführung auf, welche das Fluid in Drallrichtung in den Strömungsringraum leitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich er­ läutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1 zunächst den Längsschnitt durch eine nach dem Stand der Technik ausgebildete Vorrichtung,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrich­ tung, ebenfalls im Längsschnitt, und

Fig. 3 die durch Geschwindigkeitsvektoren deutlich ge­ machte Gasströmung im Mündungsbereich der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen dienen der Aufnahme einer Sonde 1 in einem thermisch hoch bean­ spruchten Apparat, der einen Gasraum 2 mit feststoffbelade­ nen Gaswirbeln aufweist. Bei der Sonde 1 mag es sich um ei­ nen Flammenwächter für eine Kohlefeuerungsanlage handeln.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen weisen ein zum Gasraum 2 des Apparates offenes Schutzrohr 3 sowie einen von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel 4 an der Au­ ßenseite des Schutzrohres 3 auf. Die Sonde 1 ist in das Schutzrohr 3 eingesetzt, welches von einem feststofffreien Fluid, z. B. Stickstoff oder Dampf, durchströmt ist. Das Fluid tritt als Freistrahl in den Gasraum 2 des Apparates ein. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Vor­ richtung verursachen heiße, feststoffbeladene Gaswirbel 5 aus dem Gasraum 2 des Apparates Anbackungen 6 an der Stirn­ fläche der Vorrichtung, die in Richtung auf die Meßöffnung der Vorrichtung wachsen. Dabei bilden sich rüsselförmige Anwachsungen, die in den Signaleinfallsbereich der Sonde 1 hineinragen und bei entsprechendem Wachstum schließlich den Signaleinfall gänzlich verhindern.

Bei der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausbil­ dung der Vorrichtung besteht das Schutzrohr 3 aus einem Kernrohr 7 sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr 8. Die Sonde 1 ist innerhalb des Kernrohres 7 angeordnet. Der Strömungsringraum 9 zwischen dem Kernrohr 7 und dem Mantelrohr 8 weist einen Dralleinsatz 10, z. B. in Form eines eingängigen Impellers, auf. An der Stirnseite des Schutzrohres 3 steht der Kühlmantel 4 vor, wobei der vorstehende Abschnitt mit einem zum Gasraum 2 trichterför­ mig sich erweiternden Mündungsbereich 11 ausgebildet ist. Das Kernrohr 7 wird von einem Fluid, z. B. einem Stick­ stoffstrom oder Dampfstrom, axial und drallfrei durch­ strömt. Auch der Strömungsringraum 9 wird mit Fluid beauf­ schlagt. Das Fluid tritt hier als Drallströmung aus, die sich als wandnahe Strömung entlang des trichterförmigen Mündungsbereiches 11 ausbreitet und einen Kontakt klebefä­ higer Feststoffpartikel aus dem Gasraum 2 des Apparates mit dem Kühlmantel 4 im Mündungsbereich 11 verhindert. Der Fig. 3 entnimmt man, daß die aus dem Strömungsringraum 9 austre­ tende Drallströmung an der Kühlmanteloberfläche im Mün­ dungsbereich 11 einen schützenden Gasfilm bildet und keine störenden Gaswirbel aus dem Gasraum 2 des Apparates die Stirnfläche der Vorrichtung erreichen. Rückwirbel halten einen ausreichenden Abstand von der Oberfläche der Vorrich­ tung ein. Schmelzflüssige Partikel können den schützenden Gasfilm nicht durchdringen, da die aus dem Fluid gebildete. Drallströmung eine wesentlich höhere Energie besitzt als die feststoffbeladenen Gaswirbel im Gasraum 2.

Der Fig. 2 entnimmt man auch, daß der trichterförmige Mün­ dungsbereich 11 sich bis zum Außenumfang des Kühlmantels 4 erstreckt, wobei der Übergang zwischen dem Mündungsbereich 11 und der umfangsseitigen Begrenzung des Kühlmantels 4 als scharfkantiger Rand 12 ausgebildet ist. Der Kühlmantel 4 weist einen von dem Schutzrohr 3 und einem konzentrischen Außenrohr 13 begrenzten Ringraum auf. In dem Ringraum ist ein Leitrohr 14 angeordnet, welches das Kühlmedium an den Wänden des Kühlmantels 4 entlang führt. Anbackungen 6 von klebefähigen Partikeln aus dem Gasraum 2 des Apparates bleiben auf den Bereich des Außenrohres 13 beschränkt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat, der einen Gasraum mit fest­ stoffbeladenen Gaswirbeln aufweist, - mit
einem die Sonde (1) enthaltenden sowie zum Gasraum (2) des Apparates offenen Schutzrohr (3) und
einem von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel (4) an der Außenseite des Schutzrohres (3),
wobei das Schutzrohr (3) von einem Fluid durchströmt ist, welches als Freistrahl in den Gasraum (2) des Apparates eintritt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schutzrohr (3) aus einem Kernrohr (7) sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr (8) besteht und
daß der Kühlmantel (4) an der Stirnseite des Schutz­ rohres (3) vorsteht sowie einen zum Gasraum (2) trich­ terförmig sich erweiternden Mündungsbereich (11) be­ grenzt,
wobei das Kernrohr (7) die Sonde (1) enthält und drallfrei von dem Fluid durchströmbar ist und wobei aus dem Strö­ mungsringraum (9) zwischen dem Kernrohr (7) und dem Mante­ rohr (8) eine Drallströmung des Fluids austritt, die sich entlang der sich trichterförmig erweiternden Stirnfläche des Mündungsbereiches (11) ausbreitet und die einen Kontakt klebefähiger Feststoffpartikel aus dem Gasraum (2) des Ap­ parates mit dem Kühlmantel (4) im Mündungsbereich (11) ver­ hindert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmige Mündungsbereich (11) sich bis zum Außenumfang des Kühlmantels (4) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem Mündungsbereich (11) und der umfangsseitigen Begrenzung des Kühlmantels (4) als scharf­ kantiger Rand (12) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (4) einen von dem Schutzrohr (3) und einem konzentrischen Außenrohr (23) be­ grenzten Ringraum aufweist und in dem Ringraum ein Leitrohr (14) angeordnet ist, welches das Kühlmedium an den Wänden des Kühlmantels (4) entlang führt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsringraum (9) zwischen dem Kernrohr (7) und dem Mantelrohr (8) einen Dralleinsatz (10) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dralleinsatz (10) aus einem vorzugsweise eingängi­ gen Impeller besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsringraum (9) mindestens eine tangential anschließende Fluidzuführung aufweist, wel­ che das Fluid in Drallrichtung in den Strömungsringraum (7) leitet.