AT526265A1

AT526265A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums

Info

Publication number: AT526265A1
Application number: ATA50765/2022A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Karl; Berger Dipl -Ing Christos
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-10-03
Filing date: 2022-10-03
Publication date: 2023-11-15

Abstract

Es sind Vorrichtungen (10) zur Aufbereitung von Umgebungsluft für ein Flammenionisationsdetektor-Messgerät (12) mit einem Gehäuse (14), einem Katalysator (28) zur Oxidation von in der Umgebungsluft vorhandenen Kohlenwasserstoffen, der im Gehäuse (14) angeordnet ist, einem Heizelement (46), welches im Gehäuse (14) angeordnet ist, und einem Erwärmungskanal (44), der stromaufwärts des Katalysators (28) angeordnet ist, bekannt. Um diese möglichst kompakt aufzubauen und Energie einzusparen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Erwärmungskanal (44) im Gehäuse (14) des Katalysators (28) angeordnet ist und das Heizelement (46) zur Aufheizung des Erwärmungskanals (44) dient. Zusätzlich wird ein Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in einem Messgas vorgeschlagen, welches eine solche Vorrichtung (10) nutzt.

Description

Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums mit einem Gehäuse, einem Katalysator, der im Gehäuse angeordnet ist, einem Heizelement, welches im Gehäuse angeordnet ist, und einem Erwärmungskanal, der stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Messgasen mit einem Flammenionisationsdetektor-Messgerät mit einem Brenner, der in einem Brennraum angeordnet ist, einer Brenngasquelle, die mit einer Brenngaszuführleitung verbunden ist, einer Messgasquelle, die mit einer Messgaszuführleitung verbunden ist, einer Mischgasleitung, in die die Messgaszuführleitung und die Brenngaszuführleitung münden, und welche in den Brenner mündet, und einer Brennluftquelle, die mit einer

Brennluftzuführleitung verbunden ist, die in den Brennraum mündet.

Flammenionisationsdetektor-Messgeräte (FID) sind in der Analysetechnik verbreitete Messgeräte zur Bestimmung der im Messgas enthaltenen organischen Verbindungen auf Kohlenstoffbasis, insbesondere der Kohlenwasserstoffe. Diese werden vor allem in der Petrochemie, der Pharmazie, im Erdgassektor sowie bei der Abgasanalyse von

Verbrennungsmotoren eingesetzt.

Die Flammenionisationsdetektor-Messgeräte verwenden üblicherweise eine Flamme aus einem Wasserstoff- oder Wasserstoff-Heliumgemisch und Luft, die an einem Brenner erzeugt wird und in die eine Probe des zu analysierenden Probegases geleitet wird, um organische Moleküle zu oxidieren und Ionen zu erzeugen. Die Ionen werden gesammelt und erzeugen ein elektrisches Signal, das dann gemessen wird und ein Maß für den Anteil der organischen kohlenstoffhaltigen Verbindungen darstellt.

Um präzise Messwerte zu erhalten, ist es entsprechend erforderlich, Brennluft zu verwenden, welche keine kohlenwasserstoffhaltigen organischen Verbindungen aufweist. Entsprechend muss Umgebungsluft, die an einem Flammenionisations-Messgerät als Brennluft genutzt wird, zunächst von diesen Verbindungen befreit werden. Hierzu können Aktivkohlefilter oder Oxidationskatalysatoren verwendet werden. Die katalytische Aufbereitung der Umgebungsluft wird jedoch insbesondere in der Prozessindustrie aufgrund der deutlich geringeren Wartungskosten

bevorzugt.

Um die Umgebungsluft ausreichend von Kohlenwasserstoffen mittels eines Katalysators zu reinigen, muss dieser eine entsprechende Betriebstemperatur aufweisen. Die Temperaturen sind unterschiedlich je nach Katalysatortyp - üblicherweise ist eine teilweise Konvertierung bereits bei etwa 250°C bis 280°C möglich, der beste Arbeitsbereich liegt abhängig vom Katalysatortyp z.B. zwischen 400°C und 800°C. Wird jedoch kalte Umgebungsluft in den Katalysator eingeführt, so führt dies wiederum zu einer Abkühlung des Katalysators, der durch zusätzliche Aufheizung entgegengewirkt werden muss, wobei vor allem im vorderen durchströmten

Bereich des Katalysators der Wirkungsgrad verschlechtert wird.

So sind Katalysatoren bekannt geworden, bei denen die Umgebungsluft vorgewärmt wird. Beispielsweise beschreibt die WO 2005/087352 A1 einen Katalysator, dessen zugeführte Umgebungsluft zunächst über ein Vorheizelement aufgewärmt wird, während der Katalysator zwischen zwei Wärmetauscherplatten angeordnet ist, über die der Katalysator erwärmt

wird.

Problematisch an dieser Ausführung ist jedoch, dass der Platz- und Energiebedarf zum Aufheizen des Katalysators und des zugeführten Umgebungsluftstroms relativ groß ist. Auch ist die benötigte Aufheizdauer

zu lang.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums sowie ein Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Messgasen bereit zu stellen, mit denen der benötigte Bauraum und der benötigte Energieverbrauch reduziert werden. Des Weiteren soll die Aufheizzeit verkürzt werden, damit das System möglichst schnell betriebsbereit ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie ein Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen mit den Merkmalen

des Anspruchs 20 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums weist ein Gehäuse auf, in dem ein Katalysator sowie ein Heizelement angeordnet sind. Des Weiteren weist die Vorrichtung einen Erwärmungskanal auf, der stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist, also durchströmt wird, bevor der Katalysator von der Umgebungsluft durchströmt wird. Erfindungsgemäß ist dieser Erwärmungskanal ebenfalls im gleichen Gehäuse wie der Katalysator angeordnet. Das in dem Gehäuse angeordnete Heizelement dient dabei zur Aufheizung des

Erwärmungskanals.

Mit anderen Worten sind der Erwärmungskanal und der Katalysator im gleichen Gehäuse angeordnet. Die Heizwirkung auf den Katalysator selbst entsteht vor allem durch dessen Durchströmung mit der erwärmten Luft, welche vor dem Katalysator durch das Heizelement auf bis zu 400°C

erwärmt wird. Da der Katalysator selbst im Gehäuse aufgrund seiner thermischen

Dehnungen in einem Material angeordnet werden muss, das einerseits die

entsprechenden Temperaturen verträgt und andererseits die zum Gehäuse

unterschiedlichen thermischen Dehnungen ausgleichen können muss, ist eine direkte Aufheizung des Katalysators schwierig. Es wird daher zur Vereinfachung des Aufbaus eine Aufheizung mittels der Luftvorwärmung verwendet, während der Katalysator in einem thermisch isolierenden Material angeordnet werden kann, so dass eine Abkühlung des Katalysators durch kalte Luftzuströmung oder ein kaltes umliegendes Gehäuse vermieden wird. Durch die Anordnung des Heizelementes mit dem Erwärmungskanal in dem gleichen Gehäuse wird somit nicht nur der Platzbedarf reduziert, sondern es kann auch auf eine zusätzliche aufwendige Aufheizung des Katalysators verzichtet werden, da dieser in einem erwärmten Gehäuse angeordnet ist und zusätzlich isoliert ist. Durch eine solche Anordnung kann die Aufheizung auf weniger als eine Stunde reduziert werden. Die Umgebungsluft kann genau auf die gewünschte Temperatur geregelt werden. So kann der Gesamtenergieverbrauch der

Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Ausführungen reduziert werden.

Das erfindungsgemäße Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Messgasen besteht aus einem Flammenionisationsdetektor-Messgerät mit einem Brenner, der in einem Brennraum angeordnet ist, und in dem in bekannter Weise die Ionen von Kohlenwasserstoffverbindungen ionisiert werden, wobei der entstehende Stromfluss zwischen einer Kathode und einer Anode durch die freiwerdenden Elektronen ein Maß für die im Messgas vorhandenen Kohlenwasserstoffe darstellt.

Unter dem Brenner wird hier der Teil verstanden, an dem ein brennbares Gas entzündet wird, so dass eine Flamme entsteht. Der Brennraum ist der die Flamme aufnehmende und umgebende Raum im

Flammenionisationsdetektor.

Des Weiteren weist das Messsystem eine Brenngasquelle, die mit einer

Brenngaszuführleitung verbunden ist, auf, wobei als Brenngas

üblicherweise Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Helium verwendet wird. Auch kann eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff

genutzt werden.

Zusätzlich besteht das System aus einer Messgasquelle, die das zu analysierende Gas enthält und mit einer Messgaszuführleitung verbunden ist. Diese Messgaszuführleitung mündet ebenso wie die Brenngasleitung in einer Mischgasleitung, welche in den Brenner führt und entsprechend im Brenner entflammt wird. Die Verbrennung muss unter Sauerstoff erfolgen, so dass in den Brennraum eine Brennluftzuführleitung mündet, die mit einer Brennluftquelle verbunden ist. Damit hier normale Umgebungsluft als Ausgangsgas verwendet werden kann, muss der aufgrund der freiwerdenden Elektronen der Kohlenwasserstoffverbindungen entstehende Stromfluss ausschließlich vom Kohlenwasserstoffgehalt im Messgas beziehungsweise Probengas abhängig sein, so dass die Brennluft frei von organischen Kohlenstoffverbindungen sein muss. Um dies zu erreichen, ist in der Brennluftzuführleitung eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums, vorzugsweise der Umgebungsluft für ein Flammenionisationsdetektor-Messgerät, angeordnet, bei dem ein Erwärmungskanal im gleichen Gehäuse wie der Katalysator angeordnet ist, so dass die Umgebungsluft im Katalysator von Kohlenwasserstoffen vollständig befreit wird, bevor die Messungen mit dem Flammenionisationsdetektor-Messgerät durchgeführt werden. Auf diese Weise kann nach kurzer Aufheizzeit auch bei der Verwendung von Umgebungsluft als Brennluft für den Brenner hochgenau die Kohlenwasserstoffkonzentration im Messgas bestimmt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise der Erwärmungskanal mäanderförmig im Gehäuse des _Katalysators ausgebildet. Durch diese Ausbildung kann auf einer sehr kurzen Strecke, die wenig Bauraum beansprucht, eine hohe Verweilzeit eines gasförmigen

Mediums, beispielsweise Umgebungsluft, im Erwärmungskanal und damit

hohe Aufheizung erzielt werden. Unter einem mäanderförmigen Kanal ist ein in irgendeiner Weise gewundener Kanal zu verstehen. Insbesondere ist unter einem mäanderförmigen Kanal ein Kanal mit einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Schlingen zu verstehen. Die Schlingen sind vorzugsweise so ausgeführt, dass jede Schlinge entgegen ihrer vorherigen und nachfolgenden Schlinge orientiert ist.

Das Heizelement ist vorteilhafterweise zwischen dem Katalysator und dem Erwärmungskanal angeordnet. So wird sichergestellt, dass sowohl der Kanal als auch die Umgebung des Katalysators ausreichend aufgeheizt werden. Es entsteht eine relativ gleichmäßige Temperaturverteilung im Gehäuse.

Das Heizelement ist vorzugsweise eine Heizpatrone. Dieser benötigt wenig

Bauraum und ermöglicht eine genaue Temperaturregelung.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 15 — hergestellt ist. So wird eine gute

Wärmeleitung im gesamten Gehäuse sichergestellt, wodurch sich relativ schnell ein einheitliches Temperaturniveau einstellt. Auch werden sowohl die Katalysatorumgebung als auch der Erwärmungskanal in kurzer Zeit aufgeheizt.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuse aus Edelstahl ist. Dieses ist beständig gegen Korrosion und weist dennoch eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit auf.

Das Gehäuse weist vorzugsweise einen Vollkörper auf, in dem lediglich Ausnehmungen für den Erwärmungskanal, das Heizelement, den Katalysator sowie gegebenenfalls vorhandene Sensoren ausgebildet sind. Durch die Verwendung des Vollkörpers entsteht eine gleichmäßige Wärmeleitung im gesamten Gehäuse. Isolierschichten durch Luft werden

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vermieden, so dass eine gleichmäßige Temperatur im Gehäuse nach kurzer

Aufwärmzeit erreicht werden kann.

Vorzugsweise ist der mäanderförmige Erwärmungskanal in einer Ebene angeordnet. Dies schafft die Möglichkeit, den Kanal einfach am Gehäuse herzustellen und diesen gut abzudichten.

Entsprechend ist der mäanderförmige Erwärmungskanal bevorzugt als Nut an einer Oberfläche des Vollkörpers des Gehäuses ausgebildet und durch einen Deckel verschlossen. Der Erwärmungskanal kann so durch einfaches Fräsen in die Oberfläche des Vollkörpers eingebracht werden und anschließend durch den Deckel durch einfaches Aufschrauben verschlossen werden. Auf diese Weise werden Herstell- und Montagekosten reduziert.

In einer besonderen Ausführungsform ist der Katalysator durch einen Keramikkörper mit einer Vielzahl an beschichteten, parallel verlaufenden Kanälen gebildet. Vorzugsweise sind die Kanäle parallel zu einer Längsrichtung des Keramikkörpers bzw. parallel zu einer Mittelachse des Katalysators orientiert. Die Beschichtung weist insbesondere Platin, Palladium oder Rhodium auf. Diese Katalysatoren eignen sich besonders zur Bindung von Kohlenwasserstoffen durch Oxidation. Auf der Beschichtung werden die Kohlenwasserstoffe zu Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid oxidiert. Es entsteht ein kohlenwasserstofffreier Luftstrom am Auslass des Katalysators.

In einer bevorzugten Ausbildung ist der Keramikkörper im Gehäuse von einer Zwischenschicht umgeben, die aus mineralischen Fasern besteht. Diese Mineralwolle isoliert einerseits den Katalysator, so dass dieser bei einer konstanten Temperatur betrieben werden kann und gleicht vor allem die entstehenden unterschiedlichen Dehnungen des Keramikkörpers im Vergleich zum umgebenden Edelstahlgehäuse auf, um Schäden bei der

Aufheizung zu vermieden.

In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist die Zwischenschicht, die den Keramikkörper umgibt, aus Glasseide. Diese weist eine hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit und ein geringes Gewicht auf. Die Verarbeitung von Glasseide ist im Vergleich zu anderen Mineralwollen einfacher.

Das Heizelement erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Erwärmungskanals parallel zum Keramikkörper und zu der Ebene, in der der Erwärmungskanal angeordnet ist. So werden Temperaturgradienten des Gehäuses vermieden und es findet eine Aufheizung des gasförmigen Mediums bereits kurze Zeit nach dem Anfahren über die gesamte Lauflänge des Erwärmungskanals statt, wodurch die Aufheizzeit verringert wird und eine gleichmäßige Temperatur im Gehäuse erreicht wird.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn im Gehäuse stromaufwärts des Keramikkörpers ein Einlassbereich des Katalysators ausgebildet ist, in den ein tangentialer Einlass mündet. Vorzugsweise ist der tangentiale Einlass im Wesentlichen normal zu einer Längsrichtung und/oder Mittelachse des Katalysators bzw. dessen Keramikkörpers orientiert. Durch den tangentialen Einlass entsteht im Einlassbereich eine spiralförmige Strömung, was dazu führt, dass der Katalysator über seinen gesamten Einlassquerschnitt gleichmäßig angeströmt wird und somit schnell aufheizt

sowie eine sehr gute Umsatzrate erzielt.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist der Einlassbereich mit dem mäanderförmigen Erwärmungskanal fluidisch verbunden, wobei der Einlassbereich einen zylindrischen Einlasskanal und einen sich daran anschließenden kegelstumpfförmig zum Keramikkörper erweiternden Zuströmabschnitt aufweist. Vorzugsweise fallen die Längsrichtung des Keramikkörpers bzw. Mittelachse des Katalysators, des zylindrischen

Einlasskanals und des Zuströmabschnitts zusammen. Der erwärmte

Luftstrom gelangt somit tangential in den zylindrischen Einlasskanal, wo er sich wirbelförmig fortsetzt. Mit dem Einströmen in den sich erweiternden Zuströmabschnitt wird der rotierende Luftstrom zumindest durch die Zentrifugalkraft nach außen getragen und verteilt sich über den gesamten Konus, So dass der gesamte Querschnitt des Katalysators angeströmt wird, durch die warme Luft aufgeheizt wird und zur Umsetzung der

Kohlenwasserstoffe betragen kann.

Der Einlasskanal ist vorzugsweise über einen Verbindungskanal mit dem mäanderförmigen Erwärmungskanal fluidisch verbunden. Der Verbindungskanal erstreckt sich entsprechend von der Seite, an der der Erwärmungskanal ausgebildet ist, ins Innere des Gehäuses und kann so als einfache Bohrung ausgeführt werden, durch die der Erwärmungskanal mit dem Einlassbereich des Katalysators verbunden wird.

In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung mündet der Verbindungskanal tangential in den Einlasskanal, wobei der Querschnitt des Einlasskanals größer ist als der Querschnitt des Verbindungskanals vorzugsweise ist der Querschnitt des Einlasskanals doppelt so groß wie der Querschnitt des Verbindungskanals. Entsprechend strömt der Luftstrom über die Hälfte des Querschnitts des Einlasskanals ein. Bei der folgenden rotierenden Bewegung wird entsprechend der gesamte Querschnitt des Einlasskanals relativ gleichmäßig befüllt, was sich im Folgenden im kegelstumpfförmigen Zuströmabschnitt entsprechend fortsetzt und zu der optimierten Anströmung der Katalysatorkanäle führt.

Der Anschluss der Vorrichtung wird besonders vereinfacht, indem ein Einlassstutzen des Gehäuses an der gleichen Seite ausgebildet ist wie ein Auslassstutzen und eine Hauptströmungsrichtung des Erwärmungskanals, die durch eine Verbindung zwischen dem Einlassstutzen und einem Auslass des Erwärmungskanals definiert ist, entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung des Keramikkörpers ausgerichtet ist. Die

Anschlüsse der Vorrichtung ins System erfolgen entsprechend von der gleichen Seite, während im Innern eine Strömungsumkehr erfolgt, was auch

zu einer Verringerung des benötigten Bauraums führt.

Vorzugsweise ist im Gehäuse ein Temperatursensor angeordnet. Über diesen kann das Heizelement exakt geregelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann über einen solchen Temperatursensor auch die Temperatur der Umgebungsluft beispielsweise am Auslass des Erwärmungskanals gemessen und über das Heizelement entsprechend geregelt werden.

Es wird somit eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums sowie ein Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Messgasen geschaffen, mit dem auf engstem Bauraum die Aufwärmzeit für die Aufbereitung von Umgebungsluft für Analysezwecke reduziert wird und sehr gute Umsatzraten im Katalysator erzielt werden. Die Herstell- und Wartungskosten sind dabei gering und gleichzeitig werden hochgenaue Ergebnisse des Messsystems bei der Messung von Kohlenwasserstoffen erreicht.

Ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums sowie ein entsprechendes Messystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Messgasen sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden beschrieben.

Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums in Seitenansicht.

Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung aus Figur 1 in geschnittener Darstellung.

Die Figur 3 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 von oben, wobei das Gehäuse durchsichtig dargestellt ist.

Die Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze eines Messsystems zur Bestimmung von

Kohlenwasserstoffen in Messgasen.

Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung 10 zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums wird im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Aufbereitung von Umgebungsluft für ein FlammenionisationsdetektorMessgerät 12 verwendet. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem einen Vollkörper 13 aufweisenden Gehäuse 14 aus Edelstahl, in dem vier Ausnehmungen 16, 18, 20, 22 zur Aufnahme verschiedener funktionaler Einheiten ausgebildet sind und an den zwei plattenförmige Deckel 24, 26 geschraubt sind.

In der ersten Ausnehmung 16 ist ein Katalysator 28 angeordnet, der aus einem zylindrischen Keramikkörper 30 insbesondere aus Aluminiumoxid, besteht, in dessen Inneren eine Vielzahl an zur Zylinderachse parallel verlaufenden Kanälen 32 ausgebildet sind, deren Innenwände beispielsweise mit Platin beschichtet sind, welches als katalytische Oberfläche zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen dient. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Katalysator 28 zur Oxidation von in Umgebungsluft vorhandenen Kohlenwasserstoffen eingerichtet.

Der Keramikkörper 30 ist radial von einer Zwischenschicht 34 umgeben, die aus einer Mineralwolle, insbesondere aus Glasseide besteht, so dass die Innenwände der ersten Ausnehmung 16 außen gegen die Glasseide anliegen und die radialen Außenwände des Keramikkörpers 30 innen gegen die Glasseide anliegen. Durch diese Zwischenschicht 34 werden thermische Dehnungsdifferenzen zwischen dem Edelstahlvollkörper des Gehäuses 16 und dem Keramikkörper 30 des Katalysators 28 ausgeglichen.

Die zweite Ausnehmung 18 ist als Nut 36 an einer Oberfläche 38 an einer Längsseite des Vollkörpers 13 ausgebildet, und befindet sich an einer von der ersten Ausnehmung entfernten Seite des Vollkörpers 13. Die Nut 36 erstreckt sich mäanderförmig auf dieser Oberfläche 38. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird diese Mäanderform hergestellt, indem eine Vielzahl paralleler Abschnitte der Nut 36 sich parallel zu den kurzen Querseitenflächen 40, 42 und damit senkrecht zur Mittelachse der ersten Ausnehmung 16 erstrecken, wobei diese parallelen Abschnitte jeweils durch kurze 180° Bögen verbunden sind, so dass ein Anfang der Nut 36 in der Nähe einer ersten Querseitenfläche 40 des Vollkörpers 13 angeordnet ist und ein Ende der Nut 36 in der Nähe der gegenüberliegenden zweiten Querseitenfläche 42 des Vollkörpers 13 angeordnet ist. Die Nut 36 wird durch den an die Oberfläche 38 der Längsseite geschraubten ersten Deckel 24 geschlossen, so dass ein mäanderförmiger Erwärmungskanal 44 gebildet wird, Der Erwärmungskanal 44 fungiert im dargestellten Ausführungsbeispiel als Lufterwärmungskanal für die Umgebungsluft.

Die dritte, zylindrisch geformte Ausnehmung 20 ist zwischen der Nut 36 und dem Katalysator 28 angeordnet und dient zur Aufnahme eines Heizelementes 46, welches als elektrische Heizpatrone 48 ausgeführt ist, und erstreckt sich parallel zur Mittelachse 28a des Katalysators 28 über die gesamte Länge von der ersten Querseitenfläche 40 zur zweiten Querseitenfläche 42 des Vollkörpers 13 des Gehäuses 14.

Die vierte Ausnehmung 22 erstreckt sich ebenfalls zwischen der ersten Ausnehmung 16 und der zweiten Ausnehmung 18 sowie parallel zur dritten

Ausnehmung 20 und dient zur Aufnahme eines Temperatursensors 50.

An der ersten Querseitenfläche 40 ist der zweite Deckel 26 befestigt, an dem ein Einlassstutzen 52 und ein Auslassstutzen 54 ausgebildet sind. Der Einlassstutzen 52 ist über eine Bohrung 56 im Vollkörper 13 des Gehäuses 14 fluidisch mit dem Erwärmungskanal 44 verbunden.

Die Umgebungsluft gelangt über den Einlassstutzen 52 in den Erwärmungskanal 44 und wird dort durch die thermische Energie durch Bestromung der Heizpatrone 48 von Umgebungstemperatur auf bis zu 400°C erhitzt. Diese starke Erwärmung wird einerseits durch den gut thermisch leitenden Vollkörper 13 erreicht und andererseits durch den langen Laufweg und die damit verbundene lange Verweilzeit der Umgebungsluft in dem mäanderförmigen Erwärmungskanal 44. Die Hauptströmungsrichtung ist dabei vom Anfang des Kanals, also der ersten Querseitenfläche 40 in Richtung der gegenüberliegenden zweiten Querseitenfläche 42. Die Aufheizung des Gehäuses 14 und/oder die Temperatur der Umgebungsluft am Ende des Erwärmungskanals 44 wird mittels des Temperatursensors 50 überwacht und entsprechend die Heizleistung der Heizpatrone 48 auf entsprechende Werte eingestellt.

Vom Ende des Erwärmungskanal 44 erstreckt sich ein Verbindungskanal 58 senkrecht zur Oberfläche 38 ins Innere des Vollkörpers 13 bis etwa in Höhe eines Einlassbereichs 60 des Katalysators 28, der unmittelbar gegenüberliegend zum Keramikkörper ausgebildet ist. Hier mündet der Verbindungskanal 58 in einen tangentialen Einlass 59 eines zylindrischen Einlasskanals 62 des Einlassbereichs 60, der auf der Mittelachse 28a des Katalysators 28 angeordnet ist und sich senkrecht zum Verbindungskanal 58 verlaufend in Richtung des Katalysators 28 erstreckt. Der Durchmesser des Verbindungskanals 58 ist etwa halb so groß wie der Durchmesser des Einlasskanals 62, so dass die tangentiale Einströmung über den halben Durchmesser erfolgt. Es entsteht eine spiralförmige Strömung im Einlasskanal 62, so dass etwa nach einer halben Umdrehung der Einlasskanal 62 über seinen gesamten Querschnitt durchströmt wird. Diese Wirbelströmung setzt sich im Einlasskanal 62 fort. Der Einlasskanal 62 mündet in einen sich kegelstumpfförmig zum Keramikkörper 30 sich erweiternden Zuströmabschnitt 64. Dies hat zur Folge, dass die Wirbelströmung sich aufgrund der Zentrifugalkraft zumindest entlang einer

Innenwand des Zuströmabschnitts 64 erweitert. Dadurch entsteht eine Füllung des gesamten Querschnitts des Einlassbereichs und insbesondere eines stromabwärtigen Endes des Zuströmabschnitts 64, der unmittelbar gegenüberliegend zu einem Einströmabschnitt 66 des Keramikkörpers

ausgebildet ist.

Die erhitzte Umgebungsluft gelangt entsprechend in die beschichteten Kanäle 32 des Keramikkörpers 30 des Katalysators 28. Der Keramikkörper 30 wird durch diese warme Luft ebenfalls stark erwärmt, so dass nach spätestens einer Stunde Vorlaufzeit die Anspringtemperatur des Katalysators 28 erreicht ist. Je nach Katalysatortyp liegt diese Anspringtemperatur im Bereich von 250°C bis 350°C. Ab diesem Zeitpunkt werden in bekannter Weise durch die Platinbeschichtung der Kanäle 32 die in der erwärmten Umgebungsluft vorhandenen Kohlenwasserstoffe in Wasser und Kohlenstoffdioxid im Katalysator 28 umgewandelt, so dass aus dem Ende des Keramikkörpers 30 kohlenwasserstofffreie Luft ausströmt. Dabei wird der gesamte Querschnitt des Katalysators 28 genutzt.

Die ausströmende gereinigte Luft gelangt vom Ende des Keramikkörpers 30 in einen Ausströmbereich 68 des Katalysators 28, der die Form eines sich stetig verengenden Kegelstumpfes aufweist und an der zum Vollkörper 13 weisenden Seite des zweiten Deckels 26 ausgebildet ist. Dieser Ausströmbereich 68 mündet in dem am zweiten Deckel 26 ausgebildeten Auslassstutzen 54. Entsprechend wird der Katalysator 28 entgegengesetzt zur Hauptdurchströmungsrichtung des Erwärmungskanals 44 durchströmt.

In der Figur 4 ist dargestellt, wie diese Vorrichtung 10 zur Aufbereitung von Umgebungsluft in einem Messsystem zur Bestimmung von

Kohlenwasserstoffen in Messgasen genutzt wird.

Die Umgebungsluft wird aus der als Brennluftquelle 70 dienenden Umgebung gegebenenfalls über einen nicht dargestellten Filter angesaugt

und gelangt in eine Brennluftzuführleitung 72 In dieser Brennluftzuführleitung 72 ist die oben beschriebene Vorrichtung 10 zur Aufbereitung für Umgebungslauft angeordnet, so dass aus dieser Vorrichtung von Kohlenwasserstoffen befreite Brennluft weiter durch die

Brennluftzuführleitung 72 in einen Brennraum 74 einströmt.

Ein Brenner 76 des Flammenionisationsdetektor-Messgerät 12 wird über eine Mischgasleitung 78 mit einer Mischung aus einem Brenngas, insbesondere Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Helium, und einem zu analysierenden Messgas versorgt. Hierzu wird eine Brenngasquelle 80, beispielsweise eine Wasserstoffflasche, an eine Brenngaszuführleitung 82 angeschlossen und eine Messgasquelle 84 an eine Messgaszuführleitung 86 angeschlossen. Die Messgaszuführleitung 86 und die Brenngaszuführleitung 82 münden in die Mischgasleitung 78, die zum Brenner 76 führt. Um hier ein geregeltes Gemisch zuzuführen, sind in der Brenngaszuführleitung 82 und in der Messgaszuführleitung 86 geeignete, nicht dargestellte Regelorgane angeordnet.

Das entstehende Mischgas wird in der entstehenden Knallgasflamme des Brenners 76 in der Umgebung der gereinigten Luft im Brennraum 74 verbrannt. Es entstehen durch Chemieionisation CHO*- und H3O*-Ionen. Diese werden durch eine angelegte Gleichspannung zwischen zwei Elektroden abgezogen. Es entsteht ein Strom im Pico-AmpereBereich, der zum Monitoring durch eine Elektronik verstärkt wird. Dieser Strom bildet nach der elektrischen Verstärkung ein Maß für im Messgas vorhandene organische Kohlenwasserstoffe.

Durch die Verwendung der gereinigten Umgebungsluft entstehen

hochgenaue Messungen, da Fehler durch in der Umgebungsluft vorhandene

Kohlenwasserstoffe vermieden werden.

Dies wird durch eine Vorrichtung erreicht, welche sehr kompakt aufgebaut ist und sich so auch für den mobilen Einsatz eignet. Es wird eine relativ schnelle Aufheizung des Katalysators und der zu reinigenden Luft auf engstem Bauraum erreicht und hohe Umsatzraten durch die Nutzung der gesamten zur Verfügung stehenden katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators erreicht.

Es sollte deutlich sein, dass das beschriebene Ausführungsbeispiel nicht einschränkend auszulegen ist, sondern verschiedene Modifikationen denkbar sind. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Anwendungsbereiche genutzt werden. Auch kann der mäanderförmige Kanal sich beispielsweise im Innern des Gehäuses und

über mehrere Ebenen erstrecken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung (10) zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums mit einem Gehäuse (14), einem Katalysator (28), der im Gehäuse (14) angeordnet ist, einem Heizelement (46), welches im Gehäuse (14) angeordnet ist, und einem Erwärmungskanal (44), der stromaufwärts des Katalysators (28) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungskanal (44) im Gehäuse (14) des Katalysators (28) angeordnet ist und das Heizelement (46) zur Aufheizung des Erwärmungskanals (44) dient.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungskanal (44) mäanderförmig im Gehäuse (14) des Katalysators (28) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (46) zwischen dem Katalysator (28) und dem Erwärmungskanal (44) angeordnet ist.

4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (46) eine Heizpatrone (48) ist.

5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von

über 15 — hergestellt ist. m K

10.

11.

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) aus Edelstahl ist.

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Gehäuse (14) einen Vollkörper (13) aufweist, in dem lediglich Ausnehmungen (16, 18, 20, 22) für den Erwärmungskanal (44), das Heizelement (46), den Katalysator (28) sowie gegebenenfalls vorhandene Sensoren (50) ausgebildet sind.

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mäanderförmige Erwärmungskanal (44) in einer Ebene angeordnet

ist.

Vorrichtung (10) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

der mäanderförmige Erwärmungskanal (44) als Nut (36) an einer Oberfläche (38) des Vollkörpers (13) des Gehäuses (14) ausgebildet ist und durch einen Deckel (24) verschlossen ist.

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Katalysator (28) durch einen Keramikkörper (30) mit einer Vielzahl an beschichteten, parallel verlaufenden Kanälen (32) gebildet ist.

Vorrichtung (10) nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Keramikkörper (30) im Gehäuse (14) von einer Zwischenschicht (34) umgeben ist, die aus mineralischen Fasern besteht.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

Vorrichtung (10) nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Zwischenschicht (34), die den Keramikkörper (30) umgibt, aus Glasseide ist.

Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Heizelement (46) sich über die gesamte Länge des Erwärmungskanals (44) parallel zum Keramikkörper (30) und zu der Ebene erstreckt, in der der Erwärmungskanal (44) angeordnet ist.

Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Gehäuse (14) stromaufwärts des Keramikkörpers (30) ein Einlassbereich (60) des Katalysators (28) ausgebildet ist, in den ein tangentialer Einlass (59) mündet.

Vorrichtung (10) nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Einlassbereich (60) mit dem mäanderförmigen Erwärmungskanal (44) fluidisch verbunden ist, wobei der Einlassbereich (60) einen zylindrischen Einlasskanal (62) und einen sich daran anschließenden kegelstumpfförmig zum Keramikkörper (30) erweiternden Zuströmabschnitt (64) aufweist.

Vorrichtung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (62) über einen Verbindungskanal (58) mit dem

mäanderförmigen Erwärmungskanal (44) fluidisch verbunden ist.

Vorrichtung (10) nach Anspruch 16,

18.

19.

20.

dadurch gekennzeichnet, dass

der Verbindungskanal (58) tangential in den Einlasskanal (62) mündet, wobei der Querschnitt des Einlasskanals (62) größer ist als der Querschnitt des Verbindungskanals (58), vorzugsweise doppelt so groß.

Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Einlassstutzen (52) des Gehäuses (14) an der gleichen Seite ausgebildet ist wie ein Auslassstutzen (54) und eine Hauptströmungsrichtung des Erwärmungskanals (44), die durch eine Verbindung zwischen dem Einlassstutzen (52) und einem Auslass des Erwärmungskanals (44) definiert ist, entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung des Keramikkörpers (30) ausgerichtet ist.

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (14) ein Temperatursensor (50) angeordnet ist.

Messsystem zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Messgasen mit

einem Flammenionisationsdetektor-Messgerät (12) mit einem Brenner (76), der in einem Brennraum (74) angeordnet ist,

einer Brenngasquelle (80), die mit einer Brenngaszuführleitung (82) verbunden ist,

einer Messgasquelle (84), die mit einer Messgaszuführleitung (86) verbunden ist,

einer Mischgasleitung (78), in die die Messgaszuführleitung (86) und die Brenngaszuführleitung (82) münden, und welche in den Brenner (76) mündet,

und einer Brennluftquelle (70), die mit einer Brennluftzuführleitung (72) verbunden ist, die in den Brennraum (74) mündet,

dadurch gekennzeichnet, dass

in der Brennluftzuführleitung (72) eine Vorrichtung (10) zur Aufbereitung eines gasförmigen Mediums, vorzugsweise von Umgebungsluft für ein Flammenionisationsdetektor-Messgerät (12), nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.