DE3028665A1

DE3028665A1 - Einrichtung mit einem sauerstoff-messfuehler

Info

Publication number: DE3028665A1
Application number: DE19803028665
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(Grad.) 4600 Dortmund Gillhaus; Elmar Dipl.-Ing. 6508 Alzey Müller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: EOn Ruhrgas AG
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1982-02-25
Also published as: FR2489521A1; GB2080547B; FR2489521B1; GB2080547A

Description

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BROW N , BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT

Mannheim 14- Juli 1980

Mp.-Nr. 5 78/80 ZFE/P2-Du/Br

Einrichtung mit einem Sauerstoff-Meßfühler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Sauerstoff-Meßfühler zur Regelung der Verbrennung in einem Industrieofen.

In Industrieöfen, deren Wärme durch Verbrennung erzeugt wird, ist aus Gründen der Brennnstoffeinsparung sowie der Uraweltschonung eine möglichst gute Ausnutzung des Brennstoffes anzustreben, wobei das Brennstoff-Luftverhältniss (Luftzahl Λ ) von entscheidendem Einfluß auf den Wirkungsgrad und die Schadstoffemission ist. Veränderungen des Heizwertes bsw., können das Mischungsverhältnis stark beeinflussen. Um einen Betrieb im luftarmen Bereich zu vermeiden, wird die Verbrennung mit einem relativ großen Luftüberschuß betrieben, was aber wegen der erhöhten Wärmeverluste durch den Stickstoff- und Sauerstoffballast im Abgas, einen ver-

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ringerten Wirkungsgrad zur Folge hat. Bei Luftunterschuß wiederum, sinkt der Wirkungsgrad ebenfalls, da die Verbrennung unvollständig verläuft und es u.a. zur Bildung von Ruß und Kohlenmonoxid kommt.

Der höchste Wirkungsgrad und die geringste Schadstoffemission sind erreichbar mit einer leicht überstochiometrischen Verbrennung, d.h. mit einem sehr geringen Luftüberschuß.

Sine genaue Regelung des Brennstoff-Luftverhältnisses ist über die Messunci des Sauerstoffgehalts im Abgas mit Hilfe von entsprechenden Sauerstoff-Meßfühlern möglich.

Es kommen Sauerstoff-Meßfühler in zwei unterschiedlichen Ausführungen zur Anwendung. Bei einem Meßfühler mit einer poteritiometrischen Zelle wirkt sich die hohe Temperaturempfindlichkeit sowie die abnehmende Empfindlichkeit bei steigender Sauerstoffkonzentration nachteilig auf das Meßverfahren aus. Vorteilhafter erweist sich hingegen ein Sauerstoff- Meßfühler mit einer galvanometrischen Zelle. Seine Meßgenauigkeit ist von der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration weitgehend unabhängig. Der für die Messung erforderliche kontinuierliche Probegasstrom läßt sich mit einfachen konstruktiven Mitteln realisieren, während zur Stabilisierung der Temperatur des erstgenannten Sauerstoff- ι Meßfühlers ein relativ hoher Aufwand an Regelelektronik erforderlich ist.

In der DE-OS 29 22 218 wird ein Sauerstoff/Brennstoff-Überwachungsgerät beschrieben, mit einem Sauerstoff-Meßfühler, der auf der Basis einer potentiometrischen Zelle arbeitet, und die damit verbundenen obengenannten Nachteile aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauestoff-Meßfühler mit einer galvanometrischen Meßzelle auf einfache Art und Weise in eine Einrichtung zur Regelung der Verbrennung in Industrieöfen zu integrieren.

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Diese Aufgabe wird erfindtingsgemäß dadurch gelöst, daß der mit einer galvanischen Festelektrolytzelle versehene Sauerstoff-Meßfühler in einem seiner Betriebstemperatur entsprechenden Temperaturbereich im Abgasstrom eines Mantel-Strahlrohres angeordnet ist, und daß Mittel vorgesehen sind^ zur Beaufschlagung des Sauerstoff-Meßfühlers mit einem Probegasstrom.

Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß der Sauerstoff-Meßfühler von einer Schicht definierter Porösität umgeben ist, durch die eine bestimmte Gasmenge pro Zeiteinheit als kontinuierlicher Probegasstrom diffundiert.

Desweitern ist es vorteilhaft die Erfindung so auszubilden, daß der Sauerstoff-Meßfühler über eine Düse mit kritischem Druckverhältnis, mit einem kontinuierlichen Probegasstrom beaufschlagt wird.

Als kritisches Druckverhältnis wird das bei Schallgeschwindig keit herrschende Verhältnis von Gegendruck ρ zu Enddruck P₁ /P-i ' bezeichnet. Bei einer weiteren Absenkung des Gegendrucks ρ (hinter der Düse) nimmt die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt nicht mehr zu, so daß die Durchsatzmenge konstant bleibt.

Ferner besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, daß der lichte Querschnitt des Mantelstrahlrohres so aufgeteilt ist, daß der Sauerstoff-Meßfühler mit einem Probegasstrom beaufschlagt wird, der dem Gesamtgasstrom direkt proportional ist.

Da der Sauerstoff-Meßfühler nur eine begrenzte Sauerstoffmenge verarbeitet, und der anteilige Abgasstrom in innig·..· Berührung mit der Meßfühleroberflache kommen muß, wird nur ein Teil des Abgasstromes über den Sauerstoff-Meßfühler geleitet.

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Bei einem bestimmten Verhältnis der Durchlaßquerschnitte von Meßfühler und Abgaskanal, ist der Meßfühlergasstrom direkt proportional dem Gesamtgasstrom. Um ein dem prozentualen Sauerstoffanteil entsprechendes Signal zu erhalten, ist es erforderlich, das entsprechende Signal "Meßfühlergasstrom" zum Gesai- gasstrom ins Verhältnis zu setzen, d.h. durch ein diesem Gesamtgasstrom proportionales Signal zu dividieren, bsw. mit Hilfe eines Mikroprozessors.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die für die Bereitstellung der Betriebstemperatur des Sauerstoff-Meßfühlers bisher erforderliche separate elektrische Heizung, wie auch die zur Erzeugung eines kontinuierlichen Probegasstromes benötigte Pumpe, entfallen können. Dadurch wird die Einrichtung in ihrem Aufbau vereinfacht und weniger störanfällig.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der :■ Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 im Längsschnitt ein Mantelstrahlheizrohr mit einem

darin angeordneten Sauerstoff-Meßfühler;

Fig. 2 im Detail einen Sauerstoff-Meßfühler mit einem Körper von definierter Porosität; Fig. 3 in schematischer Darstellung die Anordnung der beiden

lichten Querschnitte von Sauerstoff-Meßfühler und

Mantelstrahlrohr;

Fig. 4 im Detail eine Düse für kritisches Druckverhältnis; Fig. 5 eine zu der in Fig. 4 dargestellten Düse gehörige

Drosselklappe.

Das Mantelstrahlheizrohr weist ein Manteistrahlrohr 1 aus hitzebeständigem Stahl auf, in dem an einem Ende ein Gasbrenner 2 koaxial angeordnet ist, der mit seinem flammenseitigen Ende in ein ebenfalls koaxial im Strahlrohr 1 an-

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geordnetes Flammrohr 3 hineinragt. Die Flamme brennt im Flammrohr 3, während die Abgase am Ende des Flammrohres austreten und über einen Ringspalt 4 zwischen Strahlrohr 1 und Flammrohr 3 sowie einen Ringspalt 5 zwischen Brenner 2 und Strahlrohr 1 zurückströmen und über einen Abgasstutzen abgeleitet werden. Das Mantelstrahlhexzrohr ragt durch eine Öffnung in der Ofenwand 7 mit einer Länge bis zu etwa zwei Metern in den Ofeninnenraum hinein, und ist über eine Flanschverbindung 8 mit dem Ofengehäuse 9 gasdicht verbunden. Am Kopfende des Brenners 2 befindet sich die Armatur 10 für die Gaszuführung und die Armatur 11 für die Luftzuführung.

Im Bereich der Durchführung des Mantelstrahlheizrohres durch die Ofenwand 7 ist der Ringspalt 5 zwischen dem Brenner 2 und dem Mantelstrahlrohr i etwas erweitert und zum größten Teil mit einem Isolierbelag 13 ausgefüllt, der an der nach außen gewandten Innenseite 14 des Strahlrohres anliegt, so daß das zurückströmende Abgas in dem verbleibenden Ringspalt 12 an dem Isolierbelag 13 vorbei strömt und somit keinen direkten Wärmekontakt mehr mit dem Strahlrohr aufweist.

Der in dem Mantelstrahlheizrohr angeordnete Sauerstoff-Meßfühler 15 kann zur Beaufschlagung mit einem kontinuierlichen Probegasstrom mit einer Schicht definierter Porösität umgeben sein. Es ist-aber auch möglich den Sauerstoff-Meßfühler zur Beaufschlagung mit einem kontinuierlichen Probegasstrom in einen Isolierbelag 13 mit einer definierten Porosität einzubetten, wie es die Figur 1 zeigt.

Die Schicht mit definierter Porosität kann auch nach Fig. 2 als zylindrischer poröser Körper 16 ausgebildet sein, der dem Schutzrohr 17 des Sauerstoff-Meßfühlers 15 im Bereich des Festelektrolytrohres 18 zwischengefügt ist.

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Probegasstromes sei an Hand der Figuren 4 und 5 erläutert. Die im Abgasstutzen 6 angeordnete Drosselkappe 19 ist so einzustellen, daß der Druck vor der Drosselklappe > 2 bar ist, so daß sich gegen Atmosphäre ein kritisches Druckverhältnis

für die in Strömungsrichtung eine Querschnittserweiterung aufweisende Düse 20 ergibt. Die Strömung hat Schallgeschwindigkeit. Bei einer Absenkung des Druckes hinter der Düse nimmt die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt nicht "Ό mehr zu, so daß die Durchsatzmenge konstant bleibt.

Desweiteren ist ist es auch möglich, den Sauerstoff-Meßfühler 15 nach Fig. 3 im Ringspalt 12 des Mantelstrahlrohres anzuordnen, so daß der lichte Querschnitt A, des Ringspaltes 12 und der lichte Querschnitt A_ des Sauerstoff-

/ 1 ^ Meßfühlers 14 sich so zueinander verhalten /-— = const! ,

I 2 ' daß der Sauerstoff-Meßfühler 15 mit einem Proöegasstrom beaufschlagt wird, der dem Gesamtgasstrom direkt proportional ist. In diesem Fall ist für die Regelung ein für den Gesamtdurchsatz proportionales Signal erforderlich, das mit dem Signal des Sauerstoff-Meßfühlers nach Verhältnisbildung ein dem prozentualen Sauerstoffanteil proportionales Signal ergibt.

Die nicht erfindungswesentliche und daher nicht näher dargestellte Regelung funktioniert so, daß nach dem Einschalten des Gerätes, z.B. durch Schließen eines Signalkontaktes "Gasventil auf" zunächst ein Zeitglied anläuft, das den Meß- und Regelvorgang sperrt, bis die Flamme stabil brennt und das Rauchgas den Sauerstoff-Meßfühler erreicht hat (Totzeit). Nach Ablauf der Totzeit wird das in diesem Moment vom Sauerstoff-Meßfühler gelieferte Signal (Sauerstoffanteil proportionaler Strom) während einer zweiten Zeit (Meßzeit) mit einem Referenzwert verglichen nach Richtung der Abweichung (fett oder mager) und Größe (innerhalb des

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Toleranzbereichs, fein oder grob). Ebenfalls während der Meßzeit wird ein der Abweichungsrichtunf entsprechendes Relais für eine der Abweichungsgröße entsprechende Zeit aktiviert. Nach Ablauf der Meßzeit wijrd das Totglied aktiviert 5 und der gesamte Meßvorgang wiederholt sich.

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Claims

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ZFE/P2-Du/Br,

Ansorüche

IJ Einrichtung mit einem Sauerstoff-Meßfühler zur Regelung der Verbrennung in einem Industrieofen, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer galvanischen Festelektrolytzelle versehene Sauerstoff-Meßfühler (15) in einem seiner Betriebstemperatur entsprechenden Temperaturbereich im Äbgasstrom eines Mantelstrahlrohres (1) angeordnet ist, und daß Mittel vorgesehen sind zur Beaufschlagung des Sauerstoff-Meßfühlers mit einem Probegasstrom.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Meßfühler von einer Schicht definierter Porösität umgeben ist, durch die eine bestimmte Gasmenge pro Zeiteinheit als kontinuierlicher Probegasstrom diffundiert.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Meßfühler über eine Düse (20) mit kritischem Druckverhältnis, mit einem kontinuierlichen Probegasstrom beaufschlagt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der lichte Querschnitt des Mantelstrahlrohres (1) so aufgeteilt ist, daß der Sauerstoff-Meßfühler mit einem Probegasstrom beaufschlagt wird, der dem Gesamtgasstrom direkt proportional ist.

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