DE2400246A1 - Sonde zum messen des sauerstoffgehaltes in rauchgasen sowie zur regelung von feuerungen - Google Patents
Sonde zum messen des sauerstoffgehaltes in rauchgasen sowie zur regelung von feuerungenInfo
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Description
FRIEDRICHSFELD GMBH Steinzeug- und Kunststoff werke
68 Mannheim - Friedrichsfeld
P a t e η t a η m e 1 d u η g
"Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes
in Rauchgasen sowie zur Regelung von Feuerungen"
Die Erfindung betrifft Sonden zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen sowie zum Regeln von
Feuerungen, bei denen die sauerstoffsensiblen Teile aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten
bestehen und von einer sie umgebenden Heizung, die mit elektrischem Strom bespeist wird, auf der Arbeitstemperatur gehalten werden.
Die überwachung des Sauerstoffgehaltes von Rauchgasen erfolgt heute, wenn überhaupt, mit Geräten, in denen
die Sauerstoffmessung entweder auf den magnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs beruht oder bei denen
der Sauerstoff durch chemische Reaktionen zu Polarisationseffekten oder Leitfähxgkeitsanderungen in
flüssigen Elektrolyten führt. Die magnetischen Sauerstoff meßgeräte sind recht aufwendig. Ihre Verwendung
kommt daher nur für Großfeuerungsanlagen, wie z.3. in Großkraftwerken, infrage. Die auf chemischen Reaktionen
in wässrigen Elektrolyten beruhenden Meßgeräte
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sind sehr verunreinigungsempfindlich und erfordern daher einen hohen Reinigungsaufwand für das
auf seinen Sauerstoffgehalt zu analysierende Rauchgas. Den Geräten, die nach beiden genannten
Meßprinzipien arbeiten, ist gemeinsam, daß das auf seinen Sauerstoffgehalt zu untersuchende Rauchgas
dem eigentlichen Rauchgaskanal entnommen und dem jeweils gesondert stehenden Meßsystem zugeführt
werden muß. Die Ansprechgeschwindigkeit auf eine Änderung des Sauerstoffgehaltes des untersuchten
Rauchgases ist daher durch die Länge der Strömungsdauer des Rauchgases aus dem Rauchgaskanal in das
jeweilige Gerät nach unten begrenzt. Für schnelle Steuerungen und zur Vermeidung von kurzzeitigen Abweichungen
des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas sind derartige Geräte daher nur sehr begrenzt verwendbar.
Die Messung von Sauerstoffgehalten in Rauchgasen mit
Hilfe sauerstoffionenleitender Festelektrolyte ist an sich bekannt und auch, z.B. für die Messung von
Sauerstoffgehalten in Autoabgasen, bereits vorgeschlagen worden. Die für diesen Zweck vorgeschlagenen
Sonden können jedoch nicht unmittelbar auf die Messung von Sauerstoffgehalten in Rauchgasen übertragen
werden, da aus Sicherheitsgründen in Rauchgaskanälen von Feuerungen auch die Möglichkeit berücksichtigt
werden muß, daß sich am Ort der Meßsonde zündfähige Gemische ansammeln können. Dies würde
bei der für die Messung mit derartigen Sonden notwendigen Sondentemperatur von etwa 55O°C - 1OOO°C
die Gefahr einer Explosion im Rauchgaskanal nicht ausschließen.
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Die Verwendung des genannten Meßprinzips zur Bestimmung
des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen mit Hilfe sauerstoffionenleitender Festelektrolyte
bietet jedoch einige entscheidende Vorteile:
Der Sauerstoffgehalt des Rauchgases kann unmittelbar im Rauchgaskanal gemessen werden, wodurch alle
Verzögerungen, die durch Ableitungen von Teilen des Rauchgases entstehen, vermieden werden. Eine gemäß
dieser Messung gesteuerte Feuerungsanlage kann also mit erheblich höherer Präzision innerhalb des gewünschten
Bereiches des Sauerstoffgehaltes eingestellt und konstant über lange Zeit gehalten werden.
Da außerdem die Messung mit sauerstoffxonenlextenden
Festelektrolyten hochgratig selektiv für Sauerstoff ist, bleibt die Messung über lange Zeit unabhängig
von Verunreinigungen im Rauchgas, wodurch die Notwendigkeit einer Reinigung des Rauchgases vor der
Messung entfällt. Außerdem liefert ein entsprechender Fühler aus sauerstoffleitenden Festelektrolyten
eine elektrische Spannung, die bei den zu erwartenden änderungen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas so
groß ist, daß sie direkt entsprechenden Regelorganen zugeführt werden kann, d. h. ohne weitere größere
elektronische Verstärkung.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine Sonde mit Fühlern für den Sauerstoffgehalt des Rauchgases
aus sauerstoffxonenlextenden Festkörperelektrolyten herzustellen, bei der die Gefahr einer Explosion
eines evtl. im Rauchgaskanal anweaenden zündfähigen Gemisches mit Sicherheit ausgeschlossen werden
kann und die darüberhinaus auch andere, sicherheitstechnische Gesichtspunkte berücksichtigt.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Sonde dadurch erfüllt, daß der eigentliche Fühler für den
Sauerstoffgehalt in den Rauchgasen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der von einer elektrischen
Heizung umgeben ist, mit einem Drahtnetz abgedeckt wird. Die Explosionsschutzwirkung derartiger
Drahtnetze ist an sich von den alten, mit offenen Flammen arbeitenden Grubenlampen her bekannt.
Die Arbeitsweise mit einer erfindungsgemäßen Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas" wird
zunächst anhand der Figur 1 erläutert. In Figur 2 wird sodann der Aufbau der Sonde im einzelnen erklärt.
In Figur 1 bedeuten
1 die Feuerung, z.B. einen Ölbrenner,
2 den eigentlichen Feuerungsraum und
3 den Rauchgaskanal.
Es ist vorteilhaft, die Sonde 4 im Rauchgaskanal anzubringen und nicht im Feuerungsraum unmittelbar in Flammennähe,
damit das Rauchgas beim Vorbeistreichen an der Sonde bereits hinreichend durchmischt ist. Die Sonde 4
liefert eine dem Sauerstoffgehalt des Rauchgases eindeutig zuordenbare elektrische Spannung, die bei dem in
Rauchgasen in Frage kommenden und interessierenden Gehalt an Sauerstoffkonzentrationen um etwa 30 Millivolt
unterschiedlich sein kann. Diese Spannung wird durch die Leitungen 5 einem Regelglied 6 zugeführt, durch welches
das Brennstoffluftgemisch, das durch die Leitungen 7 zugeführt wird, in dem Dosiergerät 3 so eingestellt
wird, daß stets die günstigsten Verbrennungszustände
eingehalten werden.
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In der. Leitung 5 ist auch eine Luftzuführleitung
enthalten, die über die Seitenleitung 9 aus der Luftzuleitung oder aus dem Dosiergerät Luft entnimmt
und der Sonde 4 zuführt, wie im einzelnen im folgenden Abschnitt erläutert v/erden wird.
Die eigentliche, erfindungsgemäße Sonde sitzt auf dem Abstandshalterchr 10, das dazu dient, die Sonde
in den Bereich des Rauchgaskanals zu bringen, in dem eine gute Durchmischung des Rauchgases bereits stattgefunden
hat. Dieses Teil 10 besteht sowohl als auch der Flansch 11 aus hitzebeständigem Material. Mit 12
wird ein hitzebeständiger Kitt bezeichnet, der die einzelnen Bauteile der Sonde in ihrer Position hält.
Mit 13 sind die eigentlichen sauerstoffsensiblen Fühler bezeichnet, die aus einseitig geschlossenen Rohren
bestehen. In der Ausführung der Sonde, die in Figur 2 gezeigt ist, sind 2 derartige sauerstoffsensible
Fühler nebeneinander angeordnet. Sie bilden zusammen einen Doppelfühler. Diese sauerstoffsensiblen Teile
bestehen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, z.B. aus stabilisiertem Zirkondioxid. In diesem
Material erfolgt die elektrische Stromleitung praktisch vollständig durch Sauerstoffionen. Dieses keramische
Material wird daher als Festelektrolyt bezeichnet. Im Innern der Rohre 13 befinden sich dünne Rohre
14 aus feuerfestem Material, z.3. aus Aluininiumo::id-Keramik.
In diesen Rohren 14 werden die Platindrähte geführt, die den Kontakt zur Innenelektrode oder der
sogenannten Referenzelektrode 16 herstellen. Durch das Innere der Rohre 14 erfolgt gleichzeitig die Zufuhr
von Luft, angedeutet durch die Pfeile 14a, die im Räume
der Referenzelektroden 16 den Bezugssauerstoffpartialdruck konstant aufrecht erhalten, nämlich den Sauer-
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stoffpartialdruck der Luft, etwa 0,21 Atmosphären.
Die Rohre 13 tragen auf ihrer Kuppe, d. h. gegenüber den Referenzelektroden 15, die eigentlichen
Meßelektroden 17, die über die Platindrähte 18, die
zusammen mit den Verlängerungen der Platindrähte 15 über die Meßleitung 5 aus Figur 1 mit dem Steuergerät
6 verbunden sind. Mit 19 wird ein Thermoelementschutzrohr bezeichnet, das die Thermoelementdrähte
enthält. Auch diese Thermoelementdrähte werden über die Leitung 5 in Pig. 1 dem Steuerungsgerät 6 zugeführt.
Mit 21 wird ein Heizmantel bezeichnet, der eine elektrische Heizung enthält. Diese elektrische
Heizung wird über das Thermoelement 20 so eingeregelt, daß die sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler sich
stets auf ihrer Arbeitstemperatur, z. B. 7000C, befinden.
Mit 22 sind die Zuleitungsdrähte für die elektrische Heizung bezeichnet. Der elektrische Heizmantel
kann in seinem unteren Teil Löcher enthalten, wie sie in Fig. 2 angedeutet und mit 23 bezeichnet sind. Von
diesen Löchern können mehrere über den Umfang verteilt sein. Sie dienen der besseren Zirkulation des Rauchgases
im Bereich der sauerstoffsensiblen Teile bzw.
Fühler. Mit 24 wird das Drahtnetz bezeichnet:, das den Heizmantel und die übrigen Teile der Sonde, die auf
der Meßtemperatur gehalten werden, umgibt. Dies sind insbesondere die sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler
13 und auch das Thermoelement 19. Dieses Drahtnetz 24 kann aus einem Metallgeflecht z. B. aus hitze-Zoeständigem
Stahl bestehen. Es dient dazu, Sxplosionen im Rauchgaskanal zu vermeiden, falls sich dort z. B.
bei Versagen eines Teiles der Brennersteuerung bzw. der Brennerzündung, ein explosionsfähiges Gemisch ansammeln
sollte.
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Versuche haben gezeigt, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Sonde möglich ist, Sauerstoffgehalte in Rauchgasen praktisch verzögerungsfrei kontinuierlich
über lange Zeiten zu messen mit Genauigkeiten von besser als 0,03 %. Mit Hilfe der von der Sonde gelieferten
Spannung ließ sich eine Regelung des Luft-Brennstoff gemisches einstellen, die zu einer Konstanz des
Sauerstoffgehaltes im Rauchgas von besser als 0,1 %
führte* trotz stark schwankender Luftfeuchte und stark veränderter Brennstoffzufuhr. Es gelang auf diese Weise
den Sauerstoffgehalt des Rauchgases über einen großen Bereich der Energieabgabe des Brenners konstant zu
halten. Die erfindungsgemäße Sonde gestattet es daher optimale Verbrennungszustände in Feuerungen genauer
als bisher einzustellen und kontinuierlich aufrecht zu erhalten über längere Zeiten. Dies ist einaml für
die Einsparung von Brennstoffen von außerordentlicher Bedeutung, ergibt jedoch auch für eine Vermeidung der
Umweltverschmutzung durch ungenügend gesteuerte Verbrennungsprozesse beträchtliche Vorteile. Die erfindungsgemäße
Sonde gestattet, den günstigsten Kompromiß zwischen der Schwefelsäure-und der Stickstoffoxidimmision
erheblich genauer einzuhalten.
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Claims (4)
1) ;i Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen
sowie zum Regeln von Feuermengen, bei denen die sauerstoffsensiblen
Teile aus einem sauerstoffionenleitendem Festelektrolyten bestehen und von einer elektrischen
Heizung umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Teile und die Heizung von einem Drahtnetz umgeben sind.
2) Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die säuerstoffsensiblen Teile als Doppelfühler (14) ausgebildet
sind.
3) Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Fühler (14), das Termoelementrohr (19) und der Ofen
(21) von dem Drahtnetz (?A) umgeben sind.
4) Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die für die Referenzelektroden (16) benötigte Luft über die Seitenleitung (9) des das Brennstoffluftgemisch
lieferndem Dosiergerätes (8) entnommen wird.
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Priority Applications (5)
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|
| DE2400246A1 true DE2400246A1 (de) | 1975-07-17 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE2821367A1 (de) * | 1978-05-16 | 1979-11-22 | Pyrolyse & Prozessanlagentech | Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen verbrennen eines brennstoffes |
| DE102020135065A1 (de) | 2020-12-29 | 2022-06-30 | Chemin Gmbh | Sondenträger, Sondenanordnung, rauchgasführendes System, Verwendung und Verfahren |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH578177A5 (de) | 1976-07-30 |
| FR2257086A1 (de) | 1975-08-01 |
| FR2257086B1 (de) | 1981-05-22 |
| GB1475441A (en) | 1977-06-01 |
| DE2400246B2 (de) | 1976-12-02 |
| IT1027899B (it) | 1978-12-20 |
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