DE4229177C1 - Gaskühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaskühler, insbesondere für eine Rauchgas-Analyseeinrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welcher nach der US 4 231 256 gebildet wurde.

Zur Analyse des Rauchgases von Feuerungsanlagen wird das Rauchgas mittels einer Sonde angesaugt und einem Analysege­ rät zugeführt. Für die Gasanalyse muß das Rauchgas aufberei­ tet, d. h. insbesondere Rauch- und Schmutzpartikel sowie Feuchtigkeit müssen aus dem Rauchgas entfernt werden.

Das Rauchgas wird von der Sonde über einen Schlauch zu dem Analysegerät geleitet. Schlägt sich Kondensat in dem Schlauch nieder, so kommt das Rauchgas mit dem Schlauch über eine lange Verweildauer mit dem flüssigen Kondensat in Berührung. Dabei werden beispielsweise NO₂ und SO₂ teilweise in dem flüssigen Kondensat gebunden, so daß Meß­ fehler auftreten.

Um derartige Meßfehler zu vermeiden, ist es bekannt, einen beheizten Schlauch zu verwenden. In dem Schlauch wird das Rauchgas auf eine Temperatur oberhalb des Taupunktes er­ wärmt, so daß kein Kondensat abgeschieden wird. Die gesamte Kondensatabscheidung erfolgt in einer dem Analysegerät vorgeschalteten gekühlten Kondensatfalle. Dadurch wird bewirkt, daß das Kondensat schnell und in einem kurzen Bereich des Gasströmungsweges abgeschieden wird, so daß die Berührungsdauer des Gases mit dem flüssigen Kondensat be­ grenzt ist und NO₂ und SO₂ nur in einem geringen, das Meßergebnis unerheblich verfälschenden Ausmaß gebunden werden.

Eine derartige Kondensatfalle ist beispielsweise aus der EP 0 291 630 A2 bekannt geworden. Es handelt sich um einen Gaskühler, der nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Er weist einen von außen gekühlten Mantel und ein darin konzentrisch angeordnetes Innenrohr auf, das einen oberen Gasanschluß bildet und kurz vor dem kegelig zu laufenden Unterteil des Mantels frei mündet. Meßgas wird in das Innenrohr eingelei­ tet und durchströmt dieses von oben nach unten. Nach dem Austritt aus dem Innenrohr wird es umgelenkt und durchströmt den Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Mantel. An der Innenwand des Mantels und am unteren Rand des Innenrohres fällt Kondensat in Form von Tropfen aus, die nach unten in den kegelig zu laufenden Unterteil des Mantels fallen und von dort über einen Auslaß den Gaskühler verlassen. Das von dem Kondensat befreite Gas verläßt den Mantel über eine an seinem oberen Ende angeordnete Öffnung. Der Mantel wird fast voll­ ständig von einem Kühlblock umgeben, dessen Temperatur mittels eines Peltier-Elements so weit abgesenkt wird, daß im Inneren des Mantels der Taupunkt unterschritten wird und damit das Kondensat ausfällt.

Im Handel sind Gaskühler erhältlich, die auf dieser Konzep­ tion beruhen und sich in vielen Einsatzgebieten bestens bewährt haben. Ein Problem stellt jedoch die Anwendung in dem oben beschriebenen Bereich der Rauchgas-Analyse dar, da die in dem Rauchgas enthaltenen aggressiven Bestandteile viele der für den Bau eines Gaskühlers geeigneten Materia­ lien angreifen und zerstören. Aus diesem Grund werden für diesen spezifischen Einsatzzweck Gaskühler aus Glas herge­ stellt. Diese sind zwar gegenüber dem aggressiven Rauchgas­ bestandteil resistent, weisen jedoch eine schlechte Wärme­ leitung auf. Auch das Einbringen einer Wärmeleitpaste zwi­ schen Mantel und Kühlblock bringt noch nicht den gewünschten Effekt. Um eine ausreichende Kühlung zu erreichen, muß daher der Kühler relativ grob gehalten werden. Dies steht den allgemein zu beobachtenden Bestrebungen entgegen, die Abmes­ sungen der einzelnen Komponenten einer Rauchgas-Analyseein­ richtung zu minimieren und deren Energiebedarf möglichst gering zu halten.

Aus der US 4,231,256 ist ein Gaskühler bekannt, dessen Kühlblock von einem Peltier-Element gekühlt ist. Der Kühl­ block besitzt Ausnehmungen, die zur Gasführung dienen. Eine erste Ausnehmung verläuft vertikal, in welche von oben ein Gaszuführungsrohr mündet. Gegenüberliegend, d. h. an der untersten Stelle der Ausnehmung, ist ein Kondensatabfüh­ rungsrohr angeschlossen, welches mit einem hygroskopischen Material zur Absorption des abzuziehenden Kondensats be­ stückt ist. Im Kühlblock ist eine weitere, schräg verlaufen­ de Ausnehmung angebracht, die in die vertikal verlaufende Ausnehmung, und zwar im Bereich des unteren Drittels, mün­ det. In die schräg verlaufende Ausnehmung mündet von oben ein weiteres Rohr, welches zur Gasabführung dient. Somit ist eine Y-förmige Ausnehmung mit drei Pfaden realisiert, welche der Gaszuführung, der Gasabführung und der Kondensatabschei­ dung dienen. Das Meßgas kommt hierbei unmittelbar mit den durch die Ausnehmung gebildeten Wandungen des Kühlblocks in Berührung, wodurch sich der Wärmeübergang und damit der Wirkungsgrad verbessern läßt. Der Kühlblock besteht aus rostfreiem Stahl, um Korrosion infolge aggressiver Bestand­ teile des Rauchgases zu vermeiden.

Nachteilig bei diesem Gaskühler ist einerseits die relativ aufwendige Fertigung, da in dem Kühlblock Ausnehmungen exakt anzubringen sind, um die beschriebenen Gasführungspfade zu realisieren. Andererseits hat sich auch gezeigt, daß infolge der relativ komplizierten Geometrie der Gasführungspfade eine Reinigung nur sehr schwer möglich ist. Schließlich mußte auch festgestellt werden, daß das verwendete Material keinen ausreichenden Schutz vor korrossiven Erscheinungen bildet, sondern die Gasführungspfade im Laufe der Zeit von aggressiven Bestandteilen des Meßgases angegriffen werden.

Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gaskühler, insbesondere für eine Rauchgas-Analyseeinrichtung, zur Verfügung zu stellen, der die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll das Bauvolumen verkleinert werden, um einerseits einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen und andererseits durch kurze Weg­ längen und Verweildauern die Absorption von Meßgas im Kon­ densat möglichst gering zu halten, um das Meßergebnis mög­ lichst wenig zu verfälschen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Gaskühler, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Bei dem Gaskühler gemäß Patentanspruch 1 wird auf einen Mantel vollständig verzichtet und die Wandung der Ausnehmung im Kühlblock unmittelbar als Funktionselement verwendet. Die Innenwandung der Ausnehmung dient dabei als gekühlter Man­ tel, an welcher das Meßgas in vertikaler Richtung von unten nach oben entlang geführt wird. Das Kondensat schlägt sich unmittelbar an der Wandung nieder und fließt nach unten ab. Zum Schutz gegen die aggressiven Bestandteile des Gases ist die Wandung mit einer dünnen Beschichtung versehen, die den Wärmeübergang vom Gas zum Kühlblock nur unwesentlich behin­ dert.

In dem Ringraum zwischen dem Gaszuführungsrohr und der Wandung der Ausnehmung sind Verwirbelungskörper angeordnet. Sie verhindern die Ausbildung einer geordneten Rohrströmung im Ringraum und sorgen auf diese Weise für einen intensive­ ren Kontakt des Gases mit der Wandung des Kühlblocks. Gleichzeitig wird der Transport von Kondensat-Aerosolen in den oberen Bereich des Ringraums und damit deren Austreten aus dem Gaskühler verhindert.

Das Gaszuführungsrohr einschließlich der Verwirbelungskörper sind aus dem Kühlblock herausnehmbar. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Reinigung dieser Elemente.

Die Erfindung wird in der Folge anhand der Figur erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform des Gaskühlers in schemati­ scher Schnittdarstellung wiedergibt.

Ein Kühlblock 2 des Gaskühlers 1 wird von außen über ein Peltier-Element 20 gekühlt. Das Peltier-Element 20 ist über elektrische Leitungen 21 mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden. Das Peltier-Element 20 ist mit seiner Kaltseite im flächigen Kontakt mit dem Kühlblock 2 und mit seiner Warmseite im flächigen Kontakt mit einer Kühlschiene 18 verbunden. Zur optimalen Wärmeabfuhr an die Umgebung weist die Kühlschiene 18 eine Vielzahl von Lamellen 19 auf.

Der Kühlblock 2 hat die Grundform eines vertikal angeordne­ ten Quaders mit rechteckigem Grundriß. Er weist eine verti­ kal verlaufende, zylinderförmige Ausnehmung 3 auf, die an ihrem unteren Ende in einen konusförmigen Abschnitt über­ geht. Nach oben hin ist die Ausnehmung 3 durchgehend ausge­ führt. Die Ausnehmung 3 ist mit einem Stopfen 9 nach oben hin verschlossen. Er weist einen elastisch nachgebenden Dichtring 10 auf, der für einen gasdichten Abschluß zwischen dem Stopfen 9 und dem Kühlblock 2 am oberen Ende der Ausneh­ mung 3 sorgt.

Durch den Stopfen 9 ist ein Gaszuführungsrohr 5 geführt, welches oben koaxial in die Ausnehmung 3 mündet. Es er­ streckt sich bis in die Nähe des unteren Endes der Ausneh­ mung 3, so daß zwischen dem Gaszuführungsrohr 5 und der Wandung der Ausnehmung 3 ein Ringraum 3a entsteht. In dem Bereich des Ringraums 3a mündet oben ein Gasabführungsrohr 6. Das Gasabführungsrohr 6 ist ebenfalls im Stopfen 9 angeord­ net. Es durchdringt den Stopfen axial und überragt diesen nach außen zumindest so weit, daß ein hier nicht näher darge­ stelltes Anschlußorgan, beispielsweise in Form einer Schlauchkupplung, angebracht bzw. ein Schlauch unmittelbar aufgesteckt werden kann. Das Gaszuführungsrohr 5 ist im wesentlichen in radialer Richtung durch den Stopfen 9 hindurch nach außen geführt und überragt diesen in analoger Weise wie das Gasabführungsrohr 6, um den Anschluß an eine das Meßgas führende Zuleitung zu ermögli­ chen.

Das Gaszuführungsrohr 5 trägt im Bereich der Ausnehmung mehrere Verwirbelungskörper 8. Diese haben die Form von Kegelstümpfen, die jeweils paarweise und koaxial zueinander angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei solcher Doppel-Kegelstumpf-Anordnungen vorgesehen. Dadurch wird bewirkt, daß das im Ringraum 3a aufwärts strö­ mende Gas keine geordnete Rohrströmung ausbilden kann. Durch die mehrfache Aufeinanderfolge von Querschnittsverengung und -erweiterung kommt es zu starken Verwirbelungen, die den Wärmeübergang zwischen Gas und Wandung erheblich verbessern.

Das Gaszuführungsrohr 5 einschließlich der daran angeordneten Verwirbelungskörper 8 sind mit dem Stopfen 9 fest verbunden. Damit können insbesondere die Ober­ flächen der Verwirbelungskörper 9 auf einfache Art und Weise gereinigt werden. Vorteilhafterweise werden die genannten Komponenten einstückig in Form eines Kunststoff-Spritzgieß­ teils ausgeführt. Auch können der Verwirbelungskörper 8 und der Stopfen 9 als Drehteil gefertigt sein.

Besondere Bedeutung kommt der Beschichtung 4 der Wandung der Ausnehmung 3 zu. Durch eine geeignete Wahl des Materials und der Beschichtungsdicke ist sichergestellt, daß die Wandung des Kühlblocks 2 im gasbeaufschlagten Bereich zuverlässig geschützt wird, ohne den Wärmeübergang nennenswert zu beein­ trächtigen. Als geeignetes Material für die Beschichtung 4 haben sich Kunststoffe, wie beispielsweise RILSAN® oder TEFLON® bewährt, die in einer Dicke von etwa 300 µ aufgetragen sind. Sie sind gegenüber den aggressiven Be­ standteilen des Gases inert und besitzen eine ausreichende Haftfähigkeit, insbesondere im bezug auf Aluminium, welches bevorzugt für die Herstellung des Kühlblocks 2 dient. Die Schichtdicke in der angegebenen Größenordnung gewährleistet bei den genannten und mit diesen vergleichbaren Werkstoffen eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, so daß sich ein hervorragender Wirkungsgrad für den gesamten Gaskühler realisieren läßt.

Das untere Ende der Ausnehmung 3 ist konisch bzw. kegelför­ mig gestaltet, damit die an der Wandung herabfließenden Kondensattropfen zu der an der tiefsten Stelle der Ausneh­ mung 3 angeordneten Öffnung 7 abfließen können. Die Öffnung 7 dient zur Kondensatabführung und kann in an sich bekannter Weise gestaltet sein. Dabei ist die Öffnung 7 nicht unmittelbar als Bohrung im Kühlblock 2 ausgeführt, sondern in Form einer in einem Stopfen 11 angebrachten Bohrung. Am Stopfen 11 ist in radia­ ler Richtung ein Stutzen 13 angebracht, der in die Bohrung mündet und die nach außen führende Kondensatleitung 14 aufnimmt. Der Stopfen 11 ist mittels einer elastisch nachge­ benden Dichtung 12 in einer korrespondierenden Öffnung des Kühlblocks 2 angebracht.

Der Kühlblock 2 ist im wesentlichen vollständig von einem Isoliermantel umgeben, der aus drei Einzelteilen besteht. Eine Trennwand 15 trennt den Kühlblock 2 von der Kühlschiene 18. Die Trennwand 15 weist im Bereich des Peltier-Elements 20 eine Ausnehmung auf, in welcher ein absatzartiger Vorsprung 22 des Kühl­ blocks 2 hineinragt und die Kontaktfläche mit der Kaltseite des Peltier-Elements 20 bildet.

Zwei weitere Isolierelemente umfassen den Kühlblock 2 an den übrigen Seiten. Das Unterteil 17 wird von der Kondensatlei­ tung 14 und von den elektrischen Anschlußleitungen 21 des Peltier-Ele­ ments 20 durchsetzt. Das Oberteil 16 ist so gestaltet, daß es leicht abgenommen werden kann, um den Stopfen 9 vom Kühlblock 2 zu Reinigungszwecken abnehmen zu können.

Der Isoliermantel 15, 16, 17 verbessert nochmals den Wir­ kungsgrad des Gaskühlers, da er den Wärmeübergang vom Kühl­ block 2 zur Umgebung weitgehend unterbindet.

Claims (5)

1. Gaskühler, insbesondere für eine Rauchgas-Analyseein­ richtung, mit einem mittels eines Peltier-Elements kühlbaren Kühlblock, in welchen zur Gasführung eine Ausnehmung eingebracht ist, in die von oben ein Gaszu­ führungs- und ein Gasabführungsrohr münden, wobei an der tiefsten Stelle der Ausnehmung eine Öffnung zur Kondensatabführung vorhanden ist, dadurch gekennzeich­ net,
daß die Ausnehmung (3) als vertikal verlaufende Zylin­ derbohrung ausgebildet ist, die sich durchgehend von oben bis in die Nähe des unteren Endes des Kühlblocks (2) erstreckt, wobei die Ausnehmung zum Schutz gegen aggressive Bestandteile des Gases vollständig mit einer Beschichtung (4) versehen und an ihrem oberen Ende mit einem lösbaren Stopfen (9) gasdicht verschlossen ist, wobei
der Stopfen (9) sowohl vom Gaszuführungsrohr (5) als auch vom Gasabführungsrohr (6) durchdrungen wird und wobei das Gaszuführungsrohr (5) von oben koaxial in die Ausnehmung (3) mündet und sich durchgehend bis in die Nähe des unteren Endes der Ausnehmung (3) erstreckt, so daß zwischen dem Gaszuführungsrohr (5) und der be­ schichteten Wandung der Ausnehmung (3) ein Ringraum (3a) gebildet ist, in den von oben das Gasabführungs­ rohr (6) durch den Stopfen (9) mündet und
daß Verwirbelungskörper (8) im Ringraum (3a) angeordnet sind, welche mit dem Stopfen (9) fest verbunden sind.

2. Glaskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (4) aus Kunststoff besteht.

3. Gaskühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dicke der Beschichtung (4) etwa 300 µm beträgt.

4. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungskörper (8) die Form von Doppelkegeln oder Doppelkegelstümpfen aufwei­ sen, die koaxial vom Gaszuführungsrohr (5) durchdrungen werden.

5. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (9) und die Verwirbe­ lungskörper (8) einstückig als Spritzgußteil oder Drehteil ausgeführt sind.