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Verfahren und Apparatur zur selbsttätigen kontinuierlichen Kontrolle von Verbrennungsvorgängen Zur Erzielung einer möglichst wirtschaftlichen Wärmeausnutzung in Dampfkesseln, Industrieöfen, Brennkraftmaschinen usw. ist es unerlässlich, die Möglichkeit einer- schnellen und ununterbrochenen Kontrolle der Verbrennung zu schaffen.
Zu diesem Zwecke genügt es nicht, den CO-, Hz und CH4 Gehalt der Rauchgase zu messen, wie dies bei den bekannten automatischen Gasanalysa- toren der Fall ist, da in den abgehenden Rauchgasen in der Regel noch eine beträchtliche Menge schwerer Kohlenwasserstoffe von hohem Heizwert enthalten sind, was einen bedeutenden Verlust in der Wärmebilanz bedeutet. Die angeführten Rauchgasprüfer sind nämlich nicht fähig, den Wärmeverlust nachzuweisen, der in diesen Verbindungen enthalten ist.
Diese Rauchgasanalysatoren sind in allen Fällen auf eine bestimmte Gasart ausgerichtet, zum Beispiel auf C02, Co, H.", 0z, während die übrigen wichtigen Elemente oder Verbindungen vom Gerät nicht aufgezeichnet werden. Die Mehrzahl der angeführten Geräte arbeitet nicht kontinuierlich und oft mit einer Verzögerung der Anzeigung von mehreren Minuten, was ihre Verwendung für Regelzwecke ausschliesst.
Alle diese angeführten Mängel beseitigt das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung, das darin beruht, dass ein konstantes Volumen des zu prüfenden Abgases und der für die Verbrennung der unvollkommenen verbrannten Stoffe notwendigen Luft gleichzeitig und kontinuierlich angesaugt werden und die Volumenänderung des strömenden Gemisches während der Verbrennung der in den zu untersuchenden Gasen noch enthaltenen brennbaren Stoffe gemessen wird.
Die Messung gründet sich auf die Erkenntnis, dass beim Verbrennen von Gasen nach der Konden- sation des Wasserdampfes eine Verkleinerung des Volumens (auf Konstanttemperatur und Konstantdruck reduziert) eintritt.
Zum Beispiel beim Verbrennen von Wasserstoff nach der Gleichung Hz + 1/2 OZ = H20 braucht eine Volumeneinheit von H2 eine Hälfte der Volumeneinheit von 02 für das Verbrennen. Dabei entsteht eine Volumeneinheit Wasserdampf, der völlig kondensiert, so dass sein Volumen praktisch vernachlässigt werden kann. Die Verkleinerung des Volumens entspricht also dem 1,5fachen des Volumens von H2, der ursprünglich vorhanden war. Beim Verbrennen von CH4 + 2 02 = C02 + 2 H20 bleibt ein Volumen von C02 aus drei Volumen der ursprünglichen Mischung nach der Kondensation des Wasserdampfes.
Das heisst, die Verkleinerung des Volumens ist gleich dem zweifachen Volumen von Methan. Auf Grund der Volumenverkleinerung lässt sich daher die Anwesenheit von brennbaren Verbindungen in den zu prüfenden Gasen feststellen.
Das Patent betrifft weiter eine Apparatur zur Ausführung des Verfahrens. Ein Ausführungsbeispiel der Apparatur gemäss der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht. Eine kleine Luftpumpe 1 (Zentrifugal-, Zahnrad-, Exzen- terpumpe oder dergleichen) saugt kontinuierlich ein Gemisch von Auspuffgasen und Luft an. Das vom Verbrennungsort zugeführte Auspuffgas passiert das Rohr 2, den Kühler 3, das Kondensatgefäss 4, das automatische Regelventil 5, die Messblende 6 und die Abzweigung 7.
Die gleichzeitig angesaugte Luft passiert das von Hand einstellbare Ventil 8, die Mess- blende 9 und tritt sodann gleichfalls in die Abzwei-
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gung 7 ein, um sich mit dem Auspuffgas zu vermischen. Durch das Druckrohr 10 der Luftpumpe 1 wird das Gemisch durch das automatische Regelventil 11, den Dreiweghahn 12, die Verbrennungskammer 13, den Kühler 14, das Kondensatgefäss 15, das Rohr 16 und die Messblende 17 hindurchgedrückt und entweicht sodann in die Atmosphäre. Ein Druckmesser 18 misst den Widerstand der Blende 17 und somit die Menge des durch die Blende hindurchgehenden Gases.
Die Verbrennungskammer 13 wird zum Beispiel elektrisch beheizt, und zwar auf eine Temperatur, welche hinreicht, um eine vollkommene Verbrennung der brennbaren Stoffe im Prüfgas zu gewährleisten.
Der Druckmesser 19 (Fig. 1) misst die Differenz der Menge der gleichzeitig über die Messblenden 6 und 9 angesaugten Gase und Luft. Falls die Blenden 6 und 9 gleichen Durchmesser haben, ist die Menge des durchströmenden Gases gleich der Menge der durchströmenden Luft. Wird ein anderer Durchmesser für eine der Blenden, zum Beispiel für die Blende 9, gewählt, so lässt sich dadurch ein beliebiges Verhältnis des Gasluftgemisches erzielen. Die Beimischung von Luft ist auch erforderlich im Falle von Verbrennungsgasen aus Feuerungen, in denen bereits Luft unmittelbar in die Feuerung zugeführt wurde.
Bei einer unrichtigen Regelung von Brennstoff und Luft wird nämlich nicht immer ein Luft- überschuss bzw. eine hinreichende Menge von verfügbarem Sauerstoff für eine vollkommene Verbrennung der unverbrannten Stoffe in den Gasen gewährleistet.
Die automatischen Regelventile 5 und 11 haben den Zweck, mit hinreichender Genauigkeit in der Zeiteinheit ein konstantes Volumen bzw. eine konstante Menge des durchströmenden Gases einzuhalten und sind von gleicher Bauart. Ein Ausführungsbeispiel dieser Ventile ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Im vertikalen Rohr 21 ist ein leichter Schwimmer 22 mit kegelförmig auslaufender Stange 23 beweglich eingesetzt und sperrt mehr oder weniger die Öffnung 24. Der Schwimmer taucht in das eine Flüssigkeit (Wasser, Öl, Quecksilber usw.) enthaltende Gefäss 25 ein, das durch ein Rohr mit dem Gefäss 26 verbunden ist. Die Räume über dem Flüssigkeitsstand in den Gefässen 25 und 26 sind miteinander durch ein Rohr mit Blende 27 verbunden. Die Bewegungsrichtung der Gase durch das Ventil ist mit Pfeilen angedeutet. Unter dem Einfluss des Widerstandes der Blende 27 ist der Druck vor der Blende höher als hinter derselben und der Flüssigkeitsspiegel im Gefäss 25 höher als im Gefäss 26. Sinkt aus irgendeinem Grunde die Menge des durch das Ventil strömenden Gases, ändert sich die Differenz H der Flüssigkeitsspiegel.
Der Schwimmer 22 sinkt ein wenig, wodurch der Gasdurchfluss in der Öffnung 24 vergrössert wird. Die Menge des durchströmenden Gases steigt wieder so lange an, bis neuerlich Gleichgewicht eintritt. Die Niveaudifferenz im neuen Gleichgewichtszustand beträgt H + d H. Werden die Abmessungen der automatischen Regel- ventile 5 und 11 so gewählt, dass der Wert H bedeutend grösser ist als .d H, dann ändert sich die Gasmenge im Verhältnis
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um einen vernachlässigbar kleinen Wert.
Die Menge des durch das Ventil durchströmenden Gases kann daher mit hinreichender Genauigkeit als konstant vorausgesetzt werden. Das automatische Ventil 11 (Fig. 1) hält eine konstante Menge in der Zeiteinheit ein, das heisst ein konstantes Volumen des Gas-Luft-Gemisches, während das Ventil 5 ein konstantes Volumen nur des Gases einhält. Dies bedeutet, dass das Volumen der beigemischten Luft gleichfalls konstant bleibt. Dies bewirkt, dass bei zufälliger Änderung des Antriebes der Luftpumpe 1 oder des Druckes in der Einlassleitung 2 sich die Menge des angesaugten Gases und der Luft nicht ändert und somit auch nicht ihr gegenseitiges Verhältnis.
Das Gemisch aus Gasen und Luft wird in der Verbrennungskammer 13 verbrannt, im Kühler 14 auf die Umgebungstemperatur abgekühlt und im Kondensatgefäss 15 entwässert. Die übrigbleibenden Gase gehen durch die Messblende 17 hindurch, und ihre Menge wird mittels des an die Blende angeschlossenen Manometers 18 gemessen. Nach hinlänglichem Einlauf und Stabilisierung der Temperaturen in der Apparatur wird die richtige Funktion der Apparatur kontrolliert und eingestellt, indem der Dreiweghahn in die in Fig.2 gezeigte Stellung gebracht wird, wobei das Gas-Luft-Gemisch durch das Rohr 20 und die Blende 17 direkt in die Atmosphäre entweicht und nicht die Verbrennungskammer passiert.
Durch Einstellung des Regelventils 11 wird die Menge des Gemisches so eingeregelt, dass das Manometer 18 auf den Nullstrich der Skala einspielt, nämlich einen bestimmten Druckunterschied Ho der Blende 17 anzeigt, dem -die Menge V, des strömenden Gasgemisches entspricht. Sodann wird durch gleichzeitige Einstellung des automatischen Regelventils 5 und des von Hand einstellbaren Ventils 8 das richtige Verhältnis der angesaugten Gase und der Luft eingeregelt, und zwar so, dass das Manometer 19 keinen Druckunterschied anzeigt. Sodann wird der Dreiweghahn 12 in die Arbeitsstellung nach Fig. 1 gebracht, damit das Gemisch auch die Verbrennungskammer 13 passiert. Nach Ausführung dieser Operation ist das Gerät betriebsfähig.
Unter dem Einfluss der Volumenverminderung bei der Verbrennung der allenfalls im Gemisch noch enthaltenen brennbaren Gase wird der Druckmesser 18 einen kleineren Druckunterschied H1 anzeigen, welcher einer kleineren Menge V1 der durchströmenden Gase entspricht. Das Volumenverhältnis ist
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und die relative Volumenverkleinerung
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Bei vollkommener Verbrennung ist a = 1, bei unvollkommener Verbrennung ist a < 1. Auf Grund des auf der Skala des Manometers aufgetragenen a-Wertes lässt sich die Vollkommenheit oder Unvollkommenheit der Verbrennung beurteilen.
Die Konstruktion der Apparatur und insbesondere der Regelventile 5 und 11 verbürgt eine hinreichende Stabilität der Nullstellung auf dem Manometer 18.
Die oben angeführte Operation zur Kontrolle bzw. Einstellung der Nullage wird einmal in 24 Stunden vorgenommen und dauert nur einige Minuten. Die übrige Zeit arbeitet die Apparatur ununterbrochen und kontinuierlich in der Arbeitsstellung des Dreiweghahnes 12 nach Fig. 1.
Die Trägheit der Apparatur übersteigt einige Sekunden nicht. Durch Anschluss eines geeigneten Fühlers an die Messblende 17 lässt sich eine Erteilung von Impulsen zu Regelzwecken und für die Übertragung der Anzeigen auf beliebige Entfernung erzielen.