DE1751349A1

DE1751349A1 - Verbrennungsvorrichtung mit einer Verbrennungskammer und Verfahren zur Durchfuehrung der Verbrennung in dieser Kammer

Info

Publication number: DE1751349A1
Application number: DE19681751349
Authority: DE
Inventors: Dr Kaartinen Niilo Hannes
Original assignee: Packard Instrument Co Inc
Current assignee: PerkinElmer Health Sciences Inc
Priority date: 1967-05-16
Filing date: 1968-05-15
Publication date: 1971-07-08
Also published as: IL30005A0; DK131746C; BE715254A; DE1767487A1; GB1222589A; IL30003A0; IL30004A; SE356132B; DE1767487C3; DK131746B; SE368625B; SE362963B; SE341481B; DE1769369A1; GB1200832A; CH520330A; DK128758B; IL30005A; FR1573284A; IL30003A

Description

DIPI IM«. M.SC. DlPC-PHV*. DB. DIPl-PHYS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Packard Instrument Company, Inc., Downers Grove, Illinois, U.S.A.

Verbrennungsvorrichtung mit einer Verbrennungskammer und Verfahren zur Durchführung der Verbrennung in dieser Kammer.

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Verbrennungskammer zum Verbrennen von Material zur Erzeugung gasförmiger Verbrennungsprodukte und ein Verfahren zur Durchführung des Verbrennungsvorganges.

Der Erfindung lag die Aufgäbe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Verbrennen von Material zur Erzeugung gasförmiger Verbrennungsprodukte zu schaffen, in welcher inabesondere auch Materialproben zur Rückgewinnung von in ihnen enthaltenen radioaktiven Isotopen verbrannt werden können. Dabei sollte auch in einer bestimmten Zeiteinheit eine größere Anzahl von Proben verbrannt werden können und eine Abführung sämtlicher gasförmiger Verbrennungsprodukte gewährleistet sein.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Verbrennungsvorrichtung gelöst, die durch eine Einrichtung an der Spitze der Verbrennungskammer zum. kontinuierlichen Ausstoßen der gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer und ein Behältnis innerhalb des unteren Teiles der Verbrennungskammer zum Halten des zu verbrennenden Materials gekennzeichnet ist, und bei welcher die Seitenwände der Verbrennungskammer oberhalb des Behältnisses nach oben einwärts geneigt verlaufen, dergestalt, daß der Kammerquerschnitt annähernd die Form der Flamme des brennenden Materials annimmt und dadurch der freie Raum zwischen der Flamme und der Wandung auf einem minimalen Volumen gehalten ist.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Verbrennungsvorrichtung weist eine Einrichtung zur gesteuerten Zufuhr von Sauerstoff in die Verbrennungskammer während der Verbrennung des Materials und eine Steuereinrichtung für die Zufuhr eines inerten Gases in die Verbrennungskammer nach Beendigung der Verbrennung einer Materialprobe auf. Außerdem ist eine Einrichtung zum Vorwärmen der Wände der Verbrennungskammer vorgesehen, damit diese Wände auf einer Temperatur gehalten werden, die oberhalb der Kondensationstemperatur der in den Verbrennungsprodukten enthaltenen Dämpfe liegt.

Die rasche Beschickung der Verbrennungsvorrichtung wivd durch eine zusätzliche Einrichtung erzielt, die zum Bewegen

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des Behältnisses aus der VerhrerLnungskainmer heraus zwecks Beschickung mit neuen Materialproben und zum Wiedereinbringen in die Verbrennungskammer dient. Das Behältnis zur Aufnahme des zu verbrennenden Materials kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und als Widerstand in einen elektrischen Zündkreis gelegt sein.

Gemäß dem Verfahren zur Durchführung des Verbrennungsvorganges wird in der Verbrennungskammer die Verbrennung der Materialproben bei einem leichten SauerstoffÜberschuß in der die Flamme umgebenden Atmosphäre durchgeführt und nach Beendigung des Verbrennungsvorganges nach Abschaltung der Sauerstoffzufuhr ein inertes Gas in die Verbrennungskammer zum Herausspülen eventueller restlicher gasförmiger Verbrennungsprodukte geleitet.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, die eine schematische Darstellung der ganzen Verbrennungseinrichtung mit einer Schnittdarstellung der Verbrennungsvorrichtung zeigt.

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Figur 1 zeigt einen Teil einer Einrichtung zur Verwendung bei der Behandlung von Materialproben für Studien mit radioaktiven Leitisotopen.. Solche Studien erstrecken sich beispielsweise auf die Stoffverteilung und die Stärke von Rückständen von Düngemitteln oder Drogen in Pflanzen und Tieren. Bei der Behandlung zwecks Zubereitung «pon Meßproben wird eine Materialprobe des das radioaktive Leitisotop enthaltenden Ausgangsmaterials,, beispielsweise eine Probe des pflanzlichen oder tierischen Stoffes, verbrannt, um den im Ausgangsmaterial enthaltenen Kohlenstoff in Kohlenstoffdioxyd und den Wasserstoff in Wasser zu verwandeln. Anschließend wird das radioaktive Leitisotop aus den sich ergebenden Verbrennungsprodukten zurückgewonnen. Wenn beispielsweise als besonderes radioaktives Leitisotop C verwendet wird, enthalten die Terbrennungsprodukte COp Gas. Dient als Träger Tritium ( H), tritt bei der Verbrennung HgO in Form von kondensierbarem Dampf auf, Obwohl

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C und "Ή die gebräuchlichsten Leitisotope sind, können

natürlich auch eine Reihe anderer radioaktiver Isotope verwendet werden, beispielsweise S, das bei der Verbrennung in Sulfat umgewandelt wird.

Um Meßproben anzufertigen, die auf ihren Radioaktivitätsgrad analysiert werden können, werden die Komponenten, welche die Leitisotope enthalten, aus den Verbrennungsprodukten wiedergewonnen und von allen anderen darin ent-

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haltenen Materialien getrennt, die bei der Radioaktivi-[tätsbestimmung störend wirken könnten. Beispielsweise wird

H₂O durch ein Abkühlen der Verbrennungsprodukte und eine .Kondensation der darin enthaltenen Dämpfe, eins chlie ßlich dem HpO, gewonnen, und anschließend werden die konden-

14 sierten Dämpfe von den verbleibenden Gasen getrennt. COp kann auch durch Kondensation oder Ausfrieren bei extrem niedrigen Temperaturen gewonnen werden, beispielsweise durch die Anwendung von flüssigem Stickstoff. Es ist jedoch geläufiger, COp mit einem flüssigen Bindestoff, wie Ethanolamine, in Reaktion zu bringen. Das Reaktionsprodukt wird dann aufgefangen und mit einem flüssigen Scintillator zu einer Meßprobe gemischt, die bei der Durchführung einer Radioaktivitätsbestimmung verwendet werden kann.

Bei" der in Figur 1 dargestellten Einrichtung wird die zu verbrennende Materialprobe in einem Probenkorb 10 angeordnet , der einen Teil eines elektrischen Zündsystems darstellt und außerdem als Katalysator für eine wirkunsvolle Verbrennung der in ihm enthaltenen Materialprobe dient. Der Korb 10 ist zweckmäßig aus Platin oder einer Platin-Rhodium-Legierung gefertigt, so daß er sowohl als elektrischer Widerstand in einem Zündsystem als auch als Katalysator beim Verbrennen der Probe dienen kann. Von einer Tragplatte 13 stehen zwei elektrische Leiter 11 und 12 nach oben ab und halten den Probenkorb 10 an seinem unteren

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und an seinem oberen Ende. Sie bilden gleichzeitig elektische Anschlüsse am Probenkorb, die ihn mit einem elektrischen Zündsystem verbinden. Die leiter 11 und 12 verlaufen in vertikaler Richtung durch die Platte 13 hindurch nach unten und enden in unterhalb der Tragplatte angeordneten Yerbindungsstiften.

Um das aufeinanderfolgende Einbringen von Materialproben zu erleichtern, ist die Tragplatte 13 auf der Oberseite einer kleinen Plattform 14 angebracht, die ihrerseits auf das Ende der Kolbenstange 15 eines pneumatisch betätigten Kolbens aufgeschraubt ist. Zum Einbringen einer Materialprobe in den Probenkorb 10 wird der Kolben mit seiner Kolbenstange 15 in den Druckluftzylinder 16 eingeschoben, wodurch der Probenkorb 10 durch eine Öffnung 17 im Boden einer Verbrennungskammer 18 hindurch nach außen bewegt wird. Die Materialprobe läßt sich nun in den Korb einbringen, anschließend wird der Druckluftzylinder 16 in umgekehrtem Sinne betätigt und dadurch der Kolben mit der Kolbenstange 15 zum Einschieben des Korbes 10 durch die öffnung 17 in die Verbrennungskammer 18 bewegt. Beim Eintauchen der Plattform H in die Öffnung 17 kommt ein in einer Nut am Außenrand der Plattform 14 angeordneter Dichtungsring 19 zur Anlage gegen die geneigten Wände der öffnung 17 und gewährleistet einen gasdichten Verschluß dieser öffnung, wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist.

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Zürn Entzünden einer im Probenkorb 10 untergebrachten Probe nach dem Einbringen des Korbes in die Verbrennungskammer 18, werden die von der Tragplatte 13 abstehenden VerbindungssteGker in zugeordnete elektrische Steckbuchsen 20 auf der Oberseite der Plattform 14 eingesetzt. Die Buchsen 20 sind ihrerseits mit einem elektrischen Zündkreis verbunden, der'eine Stromquelle, beispielsweise eine Batterie 21, und einen Zündschalter 22 aufweist, mit dessen Hilfe eine elektrische Spannung an den Korb 10 gelegt werden kann. Der Probenkorb wirkt als Widerstandsheizelement im Zündsystem. Zum Entzünden der Materialprobe braucht also nur der Schalter 22 geschlossen werden, der nach dem Einleiten des Verbrennungsvorganges wieder geöffnet werden kann.

Zur Zuführung des für die Verbrennung benötigten Sauerstoffes, wird reiner Sauerstoff über ein Ventil 23 _f ein Dosiergerät 24 und ein Paar ineinandermündende Durchlaßkanäle 25 und 2.6 in der Plattform 14 und der Tragplatte hindurch in die Verbrennungskammer 18 geleitet. Der Gasauslaßkanal 26 in der Tragplatte 13 ist direkt unterhalb des Zentrums des Probenkorbes 10 angeordnet, so daß der Sauerstoff direkt in die Verbrennungszone hineingeleitet wird. Die Stärke der Sauerstoffzufuhr läßt sich mit Hilfe des Ventils 23 und des Dosiergerätes 24 auf eine Stärke einstellen, die etwas oberhalb des Wertes liegt, der zur

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Unterstützung der Verbrennung der im Korb 10 angeordneten Probe erforderlich ist. Damit ist ein leichter Säuerstoffüberschuß in der Verbrennungskammer gewährleistet. Folglich befindet sich im allgemeinen eine relativ dünne Schicht einer sauerstoffreichen Atmosphäre zwischen der Verbrennungsflamme und den Innenwänden der Verbrennungskammer 18, welche Schicht in Figur 1 durch Pfeile angedeutet ist. Der überschüssige Sauerstoff steigt durch die Verbrennungskammer nach oben und wird zusammen mit den Verbrennungsprodukten durch einen seitlichen Auslaß 27 an der Spitze der Kammer abgeführt.

Die Verbrennungskammer ist am oberen Ende offen und die Seitenwände sind nach oben hin oberhalb des Probenkorbes nach einwärts geneigt, so daß der Querschnitt der Kammer etwa die Form der Flamme der brennenden Probe hat. Dadurch wird das Volumen der sauerstoffreichen Atmosphäre rund um die Flamme auf einem minimalen Wert gehalten. Die Wände der Verbrennungskammer sind vorgewärmt, so daß die Wandtemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Dämpfe bleibt, die in den Verbrennungsprodukten enthalten sind. Bei dieser Ausbildung der Vorrichtung werden die Verbrennungserzeugnisse direkt in den Auslaß 27 befördert, wobei die aufsteigende Schicht von sauerstoffreicher Atmosphäre entlang der Kammerwände die Tendenz hat, die Verbrennungsprodukte von einer Berührung mit den Seitenwänden

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zu isolieren. Außerdem verbleiben Irgendwelche Verbrennungsprodukte, die mit den Kammerwänden in Berührung kommen, in ihrem gasförmigen Zustand selbst während der Anfangsphase der Verbrennung, da die Wände vorgewärmt und auf einer oberhalb der Kondensationstemperatur liegenden Temperatur gehalten sind. So verlaufen auch bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskammer die Wände der Verbrennungskammer 18 am Probenkorb 10 vorbei vertikal nach oben und sind dann oberhalb des Korbes 10 nach einwärts geneigt, so daß die Wandung etwa die Form der mit unterbrochenen Linien eingezeichneten Flamme annimmt. Rund um die Verbrennungskammer 18 ist ein zylindrisches Gefäß 30 angeordnet, das mit der Außenwand der Verbrennungskammer 18 einen Ringraum begrenzt, in welchen eine vorerwärmte Flüssigkeit eingebracht werden kann. Zum Zentrieren der Verbrennungskammer 18 innerhalb des Gefäßes 30 steht das obere Ende des Gefäßes mit einem komplementären Lagerorgan 31 der Verbrennungskammer in Berührung, während das untere Ende der Verbrennungskammer in einem komplementären Halter an der Bodenwand des Gefäßes 30 sitzt.

Vor dem Entzünden der in den Korb 10 eingebrachten Materialprobe wird die in dem Ringraum zwischen der Verbrennungskammer 18 und dem Gefäß 30 vorhandene Flüssigkeit mit Hilfe einer am unteren Ende des Ringraumes angebrach-

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ten Heizwindung 32 erwärmt. Die Flüssigkeit verteilt diese Wärme über die ganze Wandung der Verbrennungskammer 18, so daß diese Wandung gleichmäßig auf eine Temperatur erwärmt ist, die oberhalb der Kondensationstemperatur der in den erzeugten Verbrennungsprodukten enthaltenen Dämpfe liegt. Es hat sich gezeigt, daß das Vorwärmen der Verbrennungswände zum Halten der Verbrennungsprodukte in gasförmigem Zustand selbst während des Zündvorganges, in Verbindung mit der Flammenform der Kammer, eine gleichmäßige Abführung der Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer erlaubt, und zwar so wirkungsvoll, daß tatsächlich kein Rückstand von an den Kammerwänden niedergeschlagenen Verbrennungsprodukten vorhanden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch eine Kondensation innerhalb des Auslaßteils 27 der Verbrennungskammer 18 vermieden, da der Auslaßteil ebenfalls von der vorerwärmten Flüssigkeit im Ringraum zwischen der Verbrennungskammer 18 und dem Gefäß 31 umgeben ist.

Die ausströmenden Gase gelangen vom,.-Auslaß 27 in eine Rohrleitung 34 und über ein T-VeTbindungsstück 40 in einen Wärmetauscher 41 zum Kühlen der Verbrennungsprodukte und zum Kondensieren der darin enthaltenen Dämpfe. Der Wärmetauscher weist einen Innenkörper 42 auf, der einen Flüssigkeitsdurchlaß bildet und zur Aufnahme der Verbrennungaprodukte aus der Rohrleitung 34 dient. Der Innen-

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Claims

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1. Verbreimungsvarriehtung mit einer Verbrennungskammer (18) zum Verbrennen von Material zur Erzeugung gasförmiger Verbrennungsprodukte, gekennzeichnet durch eine Einrichtung an der Spitze der Verbrennungskammer (18) zum kontinuierlichen Ausstoßen der gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer und ein Behältnis (10) innerhalb des unteren Teiles der Verbrennungskammer (18) zum Halten des zu verbrennenden Materials, und dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Verbrennungskammer (18) oberhalb des Behältnisses (10) nach oben einwärts geneigt verlaufen, dergestalt, daß der Kammerquerschnitt annähernd die Form der Flamme des brennenden Materials annimmt und dadurch der freie Raum zwischen der Flamme und der Wandung auf einem minimalen Volumen gehalten ist.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (23, 24) zur gesteuerten Zufuhr von Sauerstoff in die Verbrennungs-

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kammer (18) während der Verbrennung des Materials und eine Steuereinrichtung für die Zufuhr eines inerten Gases in die verbrennungskammer (18) aufweist.

3· Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (30, 32) zum Vorwärmen der Wände der Verbrennungskammer (18) zum Halten dieser Wände auf einer Temperatur aufweist, die oberhalb der Kondensationstemperatur der in den Verbrennungsprodukten enthaltenen Dämpfe liegt.

4. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bia 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (15, 16) zum Bewegen des Behältnisses (10) aus der Verbrennungskammer (18) heraus, um es nacheinander mit Materialproben zu beladen, und zum Wiedereinbringen in die Verbrennungskammer (18) aufweist.

5. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff- und/oder die Inertgaszuleitung über eine die zugeführte Gasmenge bestimmende Zumeßvorrichtung (24) geführt ist.

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6. Vorrichtung nach -einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß "das Behältnis (10) zur Aufnahme des zu verbrennenden Materials aus einem elektrisch leitenden Material besteht und als Widerstand in einen elektrischen Zündkreis gelegt ist.

7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Vorwärmen der Wände der Verbrennungskammer (18) aus einem konzentrisch zur Verbrennungskammer angeordneten Außenbehälter (30) besteht und der durch den Außenbehälter ('3O) und die Verbrennungskammer (18) begrenzte Zwischenraum mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmittel gefüllt ist, und daß im Bodenbereich des Außenbehälters (30) eine elektrische Heizvorrichtung (32) angeordnet ist.

8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bewegen des Behältnisses (10) einen Druckluftzylinder (16) mit Kolben und Kolbenstange (15) aufweist.

9· Vorfahren zur Durchführung einer Verbrennung in einer Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung der Materialprobe in der Verbrennunga-

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kammer (18) unter einer gesteuerten Sauerstoffzufuhr erfolgt, die einen leichten Sauerstoffüberschuß in der die Flamme umgebenden Atmosphäre gewährleistet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Beendigung des VerbrennungsVorganges die Sauerstoffzufuhr beendet und ein inertes Gas in die Verbrennungskammer (18) zum Herausspülen eventueller restlicher gasförmiger Verbrennungsprodukte geleitet wird.

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