DE202014005420U1

DE202014005420U1 - Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gasgemischs in einem Prozessraum

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Publication number: DE202014005420U1
Application number: DE202014005420.7U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2014-08-01
Anticipated expiration: 2024-07-03
Also published as: ZA201504417B; US20160003789A1; US9791426B2; CN205175454U

Abstract

Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gases (100) in einem Prozessraum (1) mit – einem Gehäuse, – einem Gassensor (5) zur Analyse zumindest eines Teils des Gases (100), wobei der Gassensor (5) an einer bestimmten Position im Gehäuse angeordnet ist, – einer Gaszuführung (4) zur Verbindung des Gehäuses mit dem Prozessraum (1) zur Zuführung des Teils des Gases (100) aus dem Prozessraum (1) in das Gehäuse und zu der bestimmten Position, und – einer Gasabführung (3) zum Abführen des Gases (100) aus dem Gehäuse, wobei Gaszuführung (4) und Gasabführung (3) als ineinander liegende Rohre ausgestaltet sind, gekennzeichnet durch eine Abschlusskappe (10) am brennraumseitigen Ende der ineinander liegenden Rohre, wobei die Abschlusskappe (10) eine gerade Anzahl von wenigstens vier Öffnungen (11, 12) gleicher Fläche umfasst, die abwechselnd als Gaseinlass und Gasauslass mit den ineinander liegenden Rohren verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gasgemischs, das in einem Prozessraum vorliegt.
Beim Betrieb einer industriellen Anlage, bei der Gase erzeugt oder verarbeitet werden, deren Parameter wie bspw. Zusammensetzung, Temperatur etc. überwacht werden müssen, kommen entsprechende Gassensoren zum Einsatz. Häufig können derartige Gassensoren jedoch nicht direkt am Messort positioniert werden, da dort für den Sensor ungeeignete Bedingungen vorherrschen wie beispielsweise zu hohe Temperaturen. Um die Gasparameter dennoch bestimmen zu können, ist es erforderlich, die Sensoren in einem geeigneten Abstand vom Messort zu platzieren. Das zu analysierende Gas muss dem Gassensor in diesem Fall vom Messort über eine geeignete Zuleitung zugeführt werden.
Beispielsweise werden in der DE 10 2012 217 596 zur Messung von korrosiven Bedingungen in einem Kessel eines Heizkraftwerks Sensoreinrichtungen eingesetzt, die eine Gasdurchführung durch die Kesselwand mit einer Öffnung zum Inneren des Kessels und eine Sensorkammer außerhalb des Kessels aufweisen. In der Sensorkammer ist ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Kessel stattfindenden Verbrennung angeordnet, um u. a. zur Verbesserung der Energieeffizienz sowie zur Begrenzung der Emissionen die Verbrennung zu überwachen. Der Sensor in der Sensorkammer ist demnach von dem eigentlichen Messort getrennt angeordnet.
Falls sich nun das Messgas in einem Bereich mit einem Unterdruck oder generell mit variierenden Druckbedingungen befindet, muss das Gas zur Sicherstellung einer durchgehenden und zuverlässigen Überwachung aktiv vom Messort zum Sensorelement befördert werden. Hierzu kommen in der Regel separate Pumpen zum Einsatz, die einen Teil des Gases vom Messort absaugen und zum Sensorelement in der Sensorkammer befördern. Eine solche externe Pumpe stellt jedoch einen zusätzlichen Aufwand für das Gesamtsystem dar, wobei sich neben den entsprechenden zusätzlichen Kosten auch die eingeschränkte Betriebssicherheit und die endliche Lebensdauer der Pumpe negativ niederschlagen.
Um diese durch die Verwendung der Pumpe verursachten Nachteile zu umgehen, kann das System beispielsweise ohne Pumpe betrieben werden, wobei als Transportmechanismus für das Gas vom Messort zum Sensorelement die ohnehin vorhandene Diffusion des Gases verwendet wird. Ein dabei auftretender Nachteil ist, dass schon kleine Druckdifferenzen zwischen Gaszuführung und Gasabführung den diffusiven Gasstrom zum Erliegen bringen können oder mit einer ungewollten Strömung überlagern können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Analyse eines Gases in einem Prozessraum anzugeben, bei der die oben aufgeführten Nachteile bzgl. der Zuführung des Gases vom Prozessraum zum Gassensor vermindert sind. Insbesondere soll gewährleistet sein, dass der Gassensor während des Betriebs der Vorrichtung gleichmäßig mit Gas überströmt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gases in einem Prozessraum umfasst ein Gehäuse und einen Gassensor zur Analyse zumindest eines Teils des Gases, wobei der Gassensor an einer bestimmten Position im Gehäuse angeordnet ist. Weiterhin sind eine Gaszuführung zur Verbindung des Gehäuses mit dem Prozessraum zur Zuführung des Teils des Gases aus dem Prozessraum in das Gehäuse und zu der bestimmten Position und eine Gasabführung zum Abführen des Gases aus dem Gehäuse umfasst. Dabei sind Gaszuführung und Gasabführung als ineinander liegende Rohre ausgestaltet.
Ferner weist die Sensorvorrichtung eine Abschlusskappe am brennraumseitigen Ende der ineinander liegenden Rohre auf. Diese Abschlusskappe wiederum weist eine gerade Anzahl von wenigstens vier Öffnungen gleicher Fläche auf, die abwechselnd als Gaseinlass und Gasauslass mit den ineinander liegenden Rohren verbunden sind.
Abwechselnd bedeutet hierbei, dass die Öffnungen im Wesentlichen in einer linienartigen Form, beispielsweise als ein Kreis, Quadrat, Rechteck o. ä. aufgereiht sind und bei Durchlaufen der Linie auf eine Öffnung, die eine Gaszuführung darstellt, eine Öffnung folgt, die eine Gasabführung darstellt. Diejenigen Öffnungen, die eine Gaszuführung darstellen, sind dabei mit einem der ineinander liegenden Rohre verbunden, während die Öffnungen, die eine Gasabführung darstellen, mit dem anderen der ineinander liegenden Rohre verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es beispielsweise für eine rein diffusive Gaszuführung zum Gassensor entscheidend ist, dass die Druckdifferenz zwischen jeglichen Öffnungen für die Gaszuführung und Öffnungen für die Gasabführung möglichst gering ist. Es wurde erkannt, dass eine gleichmäßige Anordnung von einer gleichen Zahl von Öffnungen für jeweils Gasab- und Gaszuführung in möglichst geringem Abstand voneinander vorteilhaft zu sehr geringen Druckunterschieden zwischen Gaszuführung und Gasabführung führt, selbst wenn im Brennraum sehr nachteilige Bedingungen – bzgl. der Gaszuführung – wie beispielsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten bei variabler Strömungsrichtung herrschen. Es wird also vorteilhaft ein definierter und verlässlicher Gasstrom zum Gassensor erreicht, selbst wenn nur eine geringe oder gar keine Pumpleistung vorliegt.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Sensorvorrichtung sind beispielsweise:

– Die Sensorvorrichtung kann eine Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms durch das Gehäuse aufweisen.
– Insbesondere können als Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Gases im Gehäuse zum Auslösen einer thermischen Konvektion sowie ein Steigrohr vorgesehen sein, wobei das Steigrohr derart angeordnet ist, dass der durch die Heizvorrichtung aufgeheizte Teil des Gases im Steigrohr aufsteigt. Die Heizvorrichtung kann eine Beheizungseinrichtung sein, die gleichzeitig als Beheizung für den Gassensor dient. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizvorrichtung ein Peltierelement umfassen. Ein solches stellt eine Wärmequelle von geringer Größe dar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Gehäuse zusätzlich zum Steigrohr ein Fallrohr vorgesehen ist und das Peltierelement so eingebracht ist, dass es Wärme aus dem Bereich des Fallrohres in den Bereich des Steigrohres verschiebt.
– Alternativ oder zusätzlich kann die Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms ein Schallwandler, insbesondere eine piezoelektrische Sonotrode sein. Piezoelektrische Sonotroden erzeugen neben der eigentlichen Ultraschallschwingung auch einen vom Wandler weg gerichteten Luftstrom, den sogenannten Ultraschallwind. Sie sind klein, robust und flexibel bzgl. der Schallfrequenz und Amplitude. Vorteilhaft umfasst der Schallwandler keine beweglichen Teile, die durch Verschmutzung gestört werden können und unterliegt keinem wesentlichen Verschleiß.

Diese Einrichtungen sind vorteilhaft energiearm, klein und wartungsarm, erzeugen aber – im Vergleich zu einer Pumpe – einen geringen Gasstrom, profitieren also ebenfalls von der Erfindung.

– Die Öffnungen in der Abschlusskappe können kreisförmig sein, insbesondere als Bohrungen.
– Die Öffnungen können in einem Kreis angeordnet sein. In diesem Fall ist die Anordnung, sofern die Öffnungen gleichmäßig über den Umfang des Kreises verteilt sind, maximal symmetrisch und somit weitestgehend unabhängig von einer Strömungsrichtung des Gases im Prozessraum.
– Es können genau 12 Öffnungen vorhanden sein. Damit wird ein bestmöglicher Kompromiss zwischen Aufwand für die Herstellung und gleichmäßiger Verteilung der Öffnungen und damit Druckstabilität erzielt.
– Zwischen der Abschlusskappe und den ineinander liegenden Rohren kann eine im Wesentlichen zylinderförmige Hülse angeordnet sein, die abwechselnd außenseitige Schlitzungen und Bohrungen aufweist zur abwechselnden Verbindung der Öffnungen mit den ineinander liegenden Rohren.
– Die ineinander liegenden Rohre können koaxial angeordnet sein. Damit wird wiederum eine weitestgehende Symmetrie der Anordnung erzielt.
– Der Gassensor kann ein halbleiterbasierter Gassensor sein. Diese Sensoren sind einfach herzustellen, klein und wartungsarm.

Besonders eignet sich die Erfindung für einen Feuerraum eines Kraftwerks, der eine den Feuerraum begrenzende Feuerraumwand und eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst, wobei Gaszuführung und Gasabführung die Feuerraumwand durchdringend angeordnet sind. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung in einem mit Rauchgas durchströmten Heizkessel insbesondere eines mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeugers eines Heizkraftwerks zur Messung einer CO- und/oder CO2- und/oder O2-Konzentration im Rauchgas verwendet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich die Begriffe „vertikal” und „horizontal” auf ein globales, an der Gravitationswirkung orientiertes Koordinatensystem. Gleiches gilt für Begriffe wie „nach oben” und „nach unten”.
Ein bevorzugtes, jedoch nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen schematisch und nicht maßstabsgetreu
1 eine Sensorvorrichtung zur Analyse von Gas aus einem Brennraum,
2 eine Abschlusskappe mit Öffnungen für Gaszu- und Gasabführung für die Sensorvorrichtung,
3 eine Hülse zur abwechselnden Verbindung der Öffnungen mit ineinander liegenden Rohren zur Gaszu- und Gasabführung,
4 einen Schnitt durch das brennraumseitige Ende der ineinander liegenden Rohre.
Die Figuren zeigen in verschiedenen Ansichten Aspekte eines Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Dabei entsprechen gleiche Bezugszeichen gleichen Elementen. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Feuerraums 1 in einem Heizkraftwerk. Der Feuerraum 1 umfasst eine Feuerraumwand 2 und im Feuerraum befindet sich Gas 100, beispielsweise Rauchgas. Der Ausschnitt gemäß 1 stellt dabei eine Seiten-Ansicht dar.
Die Feuerraumwand 2 wird von einer Zuleitung 4 und einer Ableitung 3 durchdrungen. Beide Leitungen 3, 4 dienen der Führung eines Teils des Gases 100 zu einem Gassensor 5, der außerhalb des Feuerraums 1 angeordnet ist, da die raue Umgebung sowie die Temperaturen im Feuerraum 1 einen Betrieb des Gassensors 5 im Feuerraum 1 nicht zulassen. Die Zuleitung 4 und die Ableitung 3 sind dabei im Bereich der Feuerraumwand 2 koaxial angeordnet und die Zuleitung 4 bildet den inneren Teil. Es ist auch möglich, die Zuleitung 4 als äußeres Rohr bei der koaxialen Führung zu gestalten.
In der Zuleitung 4 kann ein Partikelfilter angeordnet sein, der der Ausfilterung grober Schmutzpartikel dient. Ggfs. nach dem Durchtritt durch den Partikelfilter strömt der Teil des Gases, der in die Zuleitung 4 eingesogen wird, am Gassensor 5 selbst vorbei. Der Gassensor 5 sowie weitere Komponenten der Sensor-Vorrichtung sind dabei in einem Gehäuse außerhalb der Feuerraumwand 2 angeordnet. Der Gassensor 5 umfasst ein oder mehrere Sensorelemente zur Analyse des Teils des Gases. Die Sensorelemente können beispielsweise Hochtemperatur-Gassensoren sein wie beispielsweise Galliumoxid-basierte Halbleitergassensoren. Der Gassensor 5 ist mit einer nicht dargestellten Steuerelektronik zum Auslesen und Auswerten der Sensordaten verbunden.
Nach dem Vorbeiströmen am Gassensor 5 wird der Teil des Gases weitergeführt und tritt dabei in eine Rohrschleife ein. Es strömt dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer Ultraschall-Sonotrode 15 vorbei. Diese erzeugt einen schwachen Gasstrom, erzeugt also eine leichte Pumpwirkung.
Das Gas verlässt in der Folge durch die Ableitung 3 wieder den Bereich der Sensorvorrichtung und tritt in den Feuerraum 1 zurück. Durch die koaxiale Anordnung von Zuleitung 4 und Ableitung 3 werden Druckunterschiede zwischen diesen Rohröffnungen minimiert. Das ist vorteilhaft, damit die Sogwirkung durch den Schall nur möglichst geringfügig von Strömungen im Feuerraum 1 beeinflusst oder gar überdeckt wird.
In einer veränderten Ausgestaltung ist es möglich, zusätzlich zum Schall die thermische Konvektion als treibende Kraft für den Gasstrom zu verwenden. Hierzu ist es zweckmäßig, wenigstens ein Steigrohr vorzusehen. Mit anderen Worten sollte der Teil des Gases innerhalb des Gehäuses einen im Betriebszustand und in Flussrichtung des Gases ansteigenden Rohrteil vorfinden. Wird das Gas in diesem Bereich beheizt, so erfährt es eine Kraft nach oben in dem Steigrohr, was zum Antrieb des Gasstroms beiträgt. Umfasst der Gassensor 5 beispielsweise für den Betrieb der Galliumoxid-basierten Halbleitergassensoren ohnehin zweckmäßige Heizelemente, so wird das über den Gassensor 5 streichende Gas durch die Beheizung des Gassensors 5 aufgewärmt und wird nach oben streben und somit den Gasstrom antreiben.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Abschluss der Zuleitung 4 und Ableitung 3 durch eine Abschlusskappe 10 gebildet, die in 2 dargestellt ist. Die Abschlusskappe 10 ist zylinderförmig mit einem Radius von 0,5 cm, wobei eine Basisfläche weitgehend offen und eine weitere Basisfläche weitgehend geschlossen ist. In der geschlossenen Basisfläche sind zwölf Bohrungen 11, 12 mit einem Radius von je 0,5 mm vorgesehen. Die zwölf Bohrungen 11, 12 sind gleichmäßig auf einen Kreis mit einem Radius von ca. 0,35 cm verteilt angeordnet. Sechs der Bohrungen 11 sind dabei für die Zuleitung 4 ausgestaltet und die verbleibenden sechs der Bohrungen 12 für die Ableitung 3. Die Bohrungen 11 für die Zuleitung wechseln sich dabei mit den Bohrungen 12 für die Ableitung ab.
Zwischen der koaxialen Zuleitung 4 und Ableitung 3 einerseits und der Abschlusskappe 10 andererseits ist eine Hülse 20 angeordnet, die für die Gasführung zwischen den Bohrungen 11, 12 und der koaxialen Zuleitung 4 und Ableitung 3 ausgestaltet ist. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Hülse 20 und 4 zeigt in einem Schnittbild die Anordnung der Elemente zueinander. Die Hülse 20 ist im Prinzip zylinderförmig. An ihrer Mantelfläche sind abwechselnd Schlitzungen 21 und Bohrungen 22 angeordnet. Die Schlitzungen verbinden im zusammengesetzten Zustand mit der Abschlusskappe 10 und Zuleitung 4 und Ableitung 3 die Ableitung 3 – in diesem Beispiel das außenliegende Rohr – mit den Bohrungen 12 für den Gasauslass. Die Bohrungen 22 der Hülse 20 hingegen verbinden die Zuleitung 4 – in diesem Beispiel das innenliegende Rohr – mit den Bohrungen 11 der Abschlusskappe 10.
Zweckmäßig bestehen die Abschlusskappe 10 und die Hülse 20 aus einem hochtemperaturfesten Stahl, beispielsweise Stahl 1.4841, um den Bedingungen im Brennraum standzuhalten. Durch die sehr symmetrische Anordnung der Bohrungen 11, 12 werden Druckunterschiede zwischen Ableitung 3 und Zuleitung 4 minimiert und die Abschlusskappe und das entsprechende Rohrsystem kann sehr klein ausgeführt werden, insbesondere mit einem Durchmesser < 12 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012217596 [0003]

Claims

Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gases (100) in einem Prozessraum (1) mit – einem Gehäuse, – einem Gassensor (5) zur Analyse zumindest eines Teils des Gases (100), wobei der Gassensor (5) an einer bestimmten Position im Gehäuse angeordnet ist, – einer Gaszuführung (4) zur Verbindung des Gehäuses mit dem Prozessraum (1) zur Zuführung des Teils des Gases (100) aus dem Prozessraum (1) in das Gehäuse und zu der bestimmten Position, und – einer Gasabführung (3) zum Abführen des Gases (100) aus dem Gehäuse, wobei Gaszuführung (4) und Gasabführung (3) als ineinander liegende Rohre ausgestaltet sind, gekennzeichnet durch eine Abschlusskappe (10) am brennraumseitigen Ende der ineinander liegenden Rohre, wobei die Abschlusskappe (10) eine gerade Anzahl von wenigstens vier Öffnungen (11, 12) gleicher Fläche umfasst, die abwechselnd als Gaseinlass und Gasauslass mit den ineinander liegenden Rohren verbunden sind.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms durch das Gehäuse.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms eine Beheizungseinrichtung ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms ein Schallwandler (15), insbesondere eine piezoelektrische Sonotrode ist.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Öffnungen (11, 12) kreisförmig sind.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Öffnungen (11, 12) in einem Kreis angeordnet sind.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit genau zwölf Öffnungen (11, 12).
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwischen der Abschlusskappe (10) und den ineinander liegenden Rohren eine zylinderförmige Hülse (20) angeordnet ist, die abwechselnd außenseitige Schlitzungen (21) und Bohrungen (22) aufweist zur abwechselnden Verbindung der Öffnungen (11, 12) mit den ineinander liegenden Rohren.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die ineinander liegenden Rohre koaxial angeordnet sind.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Gassensor (5) ein halbleiterbasierter Gassensor ist.
Feuerraum (1) eines Kraftwerks, umfassend – eine den Feuerraum begrenzende Feuerraumwand (2), – eine Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Gaszuführung (4) und Gasabführung (3) die Feuerraumwand (2) durchdringend angeordnet sind.