EP2103873A2 - Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden - Google Patents

Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden Download PDF

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EP2103873A2
EP2103873A2 EP09004041A EP09004041A EP2103873A2 EP 2103873 A2 EP2103873 A2 EP 2103873A2 EP 09004041 A EP09004041 A EP 09004041A EP 09004041 A EP09004041 A EP 09004041A EP 2103873 A2 EP2103873 A2 EP 2103873A2
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EP
European Patent Office
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pressure
burner
gas
force
gases
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EP09004041A
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English (en)
French (fr)
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EP2103873B1 (de
EP2103873A3 (de
Inventor
Heiko Fryen
Michael Neischwander
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FRYEN, HEIKO
Neischwander Michael
Original Assignee
Linde GmbH
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/18—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
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    • F23N2005/181—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel using detectors sensitive to rate of flow of air
    • F23N2005/182—Air flow switch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N2005/185—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel using detectors sensitive to rate of flow of fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/04—Measuring pressure

Definitions

  • the present invention relates to a device for mixture monitoring for fluid mixtures of two fluids.
  • a gas-air or gas-oxygen composite control device must provide a mixture precisely and safely. This can e.g. be realized via a mechanical linkage, a pneumatic version or an electronic composite control devices. In the case of mechanical linkages or pneumatic versions, it is not necessary to carry them out redundantly. Redundant means that safety-related systems are designed in such a way that if one component fails, the other components ensure the corresponding function. This minimizes the risk that these components will be subject to a common fault. Electronic compound control devices operate redundantly, for example with two measurements with safety-related control via a control unit.
  • the DIN standards state that the mass air flow to the gas mass flow always has to be in a ratio that can be reliably ignited so as to maintain stable and safe combustion at the burner throughout the operating range.
  • the ratio does not have to be the same value under all operating conditions.
  • the design and implementation of the air-gas ratio control must take into account both the operating conditions and the properties of the fuel and combustion air. In the event of a fault, the system should tend to produce a higher air surplus or cause a shutdown if the air-gas ratio leads to a non-safe state.
  • Pneumatic gas-air composite governors must comply with DIN EN 12067-1.
  • Electronic gas-air compound regulators are to be designed and executed according to DIN EN 12067-2.
  • gas and air pressure switches must be installed in the flow direction upstream of the control valves but after the last pressure control devices.
  • the gas and air pressure monitors each monitor the minimum and maximum pressure and thus ensure a correct air / gas ratio in conjunction with the above-mentioned safe ratio control and a safe minimum and maximum output of the industrial thermal process plant (IThE) in all possible operating states.
  • IThE industrial thermal process plant
  • pneumatic controllers (DIN EN 12067-1 compliant) are used, additional protective measures should be provided to ensure that the protection system triggers a fault shutdown in the event of malfunction or malfunction of the pneumatic composite governor to achieve an equivalent level of safety as described above ,
  • the electronic mixture monitoring is often carried out on single-channel burners with fuel / air mixture or fuel / oxygen mixture and thus not safety-related.
  • single-channel mixture controls are electronic devices for mixture control with programmable logic controllers (PLC) as well as flow and / or ratio controls.
  • a method of controlling the fuel-air ratio of a fuel-fired burner is described.
  • this method is intended to control the flame of the burner and / or the fuel-air ratio of a fuel-fired burner.
  • the burner has a burner surface, wherein the electrical resistance or the temperature of the burner or of a measuring element on the side facing away from the flame of the burning surface is detected and serves to monitor the control. If it is determined that the resistance or the temperature of the burner is too high, the mixture is emaciated and greased in the other case.
  • From the EP 1 207 340 A2 goes out a method for controlling a gas burner.
  • the process provides a functional check of the combined gas / air system to keep the gas / air ratio within a narrow operating range during operation. It is after each burner start, after over ignition of the ignition on the Main burner checks the entire chain of effects in the control loop of the gas / air composite control, so that a calibration takes place at the burner start. The current control parameters are compared with the previous control parameters to determine whether predetermined limits for deviations are exceeded or fallen below.
  • the gas heater has an actuator with a mixing ratio of fuel gas and air is adjustable.
  • a lambda sensor By means of a lambda sensor, the ratio of air to gas during combustion can be determined via the exhaust gas.
  • a control system coupled to the actuator and the lambda sensor permits lambda-controlled control of the actuator, the control system knowing the manipulated variable set on the actuator and the limit values of the manipulated variables that can be set on the actuator.
  • the control system calculates a failure time from the chronological progression of the manipulated variable at which the manipulated variable reaches one of its limit values.
  • the object of the invention is to provide a simple and inexpensive device for mixture monitoring for fluid mixtures of two fluids, which can be used for all types and sizes of equipment and fuel gases for hedging.
  • the object is achieved with a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 10.
  • a very simple, mechanical or electromechanical and thus safety-oriented monitoring of the fuel / air or oxygen ratio is not required.
  • the simple electromechanical device can be used as a second feedback or protection for safe shutdown of a burner system.
  • the device according to the invention is a very simple electromechanical device which can also be used alone to monitor a mixture. In Germany, a special approval and acceptance procedure is required for such an application.
  • a leakage within a burner device due to a hose breakage, a defective valve, etc. is detected on the basis of the changing mixture composition and the gas supply is switched off immediately, whereby accidents due to leaks are reliably prevented. Such accidents can be caused by a wrong mixture composition or leaking gas.
  • two line sections are provided for the flow of a respective fluid, which are flowed through by them in a flow direction, wherein in each of the two line sections, a flow resistance is arranged and two further pressure / displacement converter are provided, each to the Attacking bar ends to the pressure / Wegwandmin opposite sides of the bar ends, wherein at the two line sections in the flow direction before and after the flow resistance in each case branches off a branch line, which are connected to one of the pressure / Wegwandler, and two branch lines connected to one of the line sections each pressurize a pair of pressure / displacement transducers opposite the beam.
  • the pressure difference of a fluid is measured via the flow resistance in the corresponding line section.
  • the ratio of the pressure difference of the fluids is largely proportional to the flow ratio of the fluids.
  • the bars thus compare the fluid flows.
  • the device according to the invention is also suitable for mixture monitoring of liquids and mixtures of liquids and gases.
  • the inventive device 1 for mixture monitoring for gas mixtures is in FIG. 1 shown together with a burner device.
  • the device 1 for mixture monitoring for gas mixtures is referred to below as a monitoring device.
  • This monitoring device 1 has a Relative pressure rocker 2 with a stationary, elongated base 3 on.
  • a first and a second displaceable supports 4, 5 are arranged on the base 3, a first and a second displaceable supports 4, 5 are arranged.
  • On the supports 4, 5 is a bar 6 which is mounted on the supports 4, 5 pivotable or tiltable.
  • the supports 4, 5 are displaceable along the longitudinal direction of the base 3.
  • the bar 6 is arranged approximately parallel to the longitudinal direction of the base 3.
  • the supports 4, 5 allow lifting of the beam from the respective bearings transverse to the longitudinal direction.
  • the fixation of the beam 6 in the longitudinal direction can e.g. by a stop formed on the base 3 or by axial bearing of the linkage 17 and 23 and the fixed / movable mounting of the bearings 18 and 24 (not shown).
  • the pedestals form stops for the bar ends 9, 10, so that their pivotal movement is limited.
  • safety switches 7, 8 the usual approved safety switches for liquids, for mixtures of liquids and gases or for gases are used.
  • the safety switches 7, 8 form a detector device for detecting the tilting movement of the beam 6 and the bar ends 9, 10 are arranged opposite one another such that during a pivoting movement of the beam 6 one of the safety switches 7, 8 from the respective opposite beam end 9, 10 can be actuated.
  • the safety switches can detect the pivoting movement at any point.
  • the detector device can also have contact sensors, a rotation angle sensor, proximity sensors or other suitable sensors for detecting the tilting movement of the beam 6.
  • a rotation angle sensor may be arranged, for example, in the pivot point of the beam 6.
  • the ratio pressure rocker 2 is preferably arranged horizontally with its base 3.
  • the horizontal arrangement of the ratio pressure rocker 2 has the advantage that the weight of the bar and all other moving masses mixture monitoring unaffected.
  • the monitoring device 1 has a first and a second pressure / displacement converter 11, 12 which are connected to one of the bar ends 9, 10 and are arranged on the side of the bar 6 facing away from the base 3.
  • the first pressure / displacement converter 11 has a connection opening 13, which can be connected to a branch line 14 for supplying air or oxygen, so that the pressure in the branch line 14 bears against the pressure / displacement converter 11. Therefore, the first pressure / Wegwandler is referred to as oxygen pressure / Wegwandler 11.
  • the connection 14 opens into a pressure chamber 15 which is delimited by a membrane 16.
  • the membrane 16 is connected via a linkage 17 with a bearing 18 arranged at the end of the beam 9.
  • the second pressure / Wegwandler 12 has a connection opening 19 which can be connected to a branch line 20 for supplying fuel gas, so that the pressure in the branch line 20 at the pressure / Wegwandfer 12 is applied. Therefore, the second pressure / Wegwandler is referred to as fuel gas pressure / Wegwandler 12.
  • the connection 19 opens into a pressure chamber 21, which is bounded by a membrane 22.
  • the membrane 22 is connected via a linkage 23 with a bearing 24 arranged at the other end of the beam 10.
  • the two pressure / displacement transducers 11, 12 transmit the voltage applied to the membranes 16, 22 pressure or flow of the corresponding gas to the linkage 17, 23.
  • the linkage 17, 23 act on the two beam ends 9, 10 of the ratio pressure rocker 2 with a to respective pressure proportional force.
  • the pressure / displacement transducers 11, 12 may instead of the membrane also have a piston, a bellows or a balloon or be designed as another suitable pressure / Wegre issued.
  • springs 38, 39 are arranged at the two bar ends 9, 10 springs 38, 39 are arranged.
  • the springs 38, 39 are designed such that they give the beam 6 when starting the burner device a certain stability and thus prevent tilting of the beam 6 at low or fluctuating gas flows during the starting process.
  • the additional forces for limiting the minimum triggering forces can also be exerted by balance weights.
  • the beam forces can be redirected via cables and pulleys accordingly.
  • Each bar end 9, 10 may additionally be provided with a force, e.g. be acted upon by the spring 38 and / or the spring 39, parallel to the force of the pressure / Wegwandler 11, 12 to make a correction in a deviation of the density ratios of the fluids in any flow point can.
  • a second pair of lever arms is characterized by extending from the second support 5 to the beam ends 9, 10 sections of Baren 6 is formed.
  • the lengths of the lever arms A, B and C, D of each of the pairs of lever arms define first and second lever ratios.
  • the bar 6 is mounted in equilibrium on the first support 4.
  • This force ratio is referred to below as the first equilibrium ratio.
  • the equilibrium range of the ratio pressure rocker 2 is adjustable via the two supports 4, 5.
  • the force ratio or pressure ratio is proportional to the mass flow ratio and thus the ratio of the gas composition for a constant density ratio of the two gases at pressure / displacement transducers or the measuring points.
  • the stoichiometric ratio of the gas composition in particular the ratio of air or oxygen to fuel gas, is referred to as lambda ⁇ .
  • lambda ⁇ For a constant gas density at the measuring points ⁇ is proportional to the pressure ratio.
  • the equilibrium range described above corresponds to a lambda range.
  • lambda is greater than the lambda range
  • the bar end 9, which is connected to the air or oxygen pressure / Wegwandler 11 tilts over the support 5 in the direction of the safety switch 7. Therefore, this safety switch is referred to as lambda maximum safety switch 7.
  • the lambda maximum safety switch 7 is connected via a signal line 25 to a safety control device 26.
  • the lambda minimum safety switch 8 is also connected to the safety controller 26 via a signal line 27.
  • the safety control device 26 outputs a signal when one of the two safety switches 7, 8 is actuated. This signal can be used to issue a warning message to a user or directly to shut off the gas supply.
  • the inventive device 1 for mixture monitoring for gas mixtures is in a burner device 28 according to FIG. 1 used.
  • the burner device 28 has a first gas source 29 for supplying air or oxygen.
  • the first gas source 29 is connected via an air / oxygen valve 30 to a feed line 31 for supplying air or oxygen.
  • the supply line 31 is connected to a burner 32.
  • the branch line 14 leads to the connection opening 13 of the air or oxygen pressure / Wegwandlers 11 of the device first
  • a second gas source 33 of the burner apparatus is provided for supplying a fuel gas.
  • fuel gas all common fuel gases such. Natural gas, propane, butane, hydrogen, etc. may be provided.
  • the second gas source 33 is connected via a fuel gas valve 34 to a supply line 35 for supplying fuel gas.
  • the supply line 35 is also connected to the burner 32.
  • the branch line 20 leads to the connection opening 19 of the fuel gas pressure / displacement converter 12 of the device 1.
  • the branch lines 14, 20 open into the respective feed line 31, 35.
  • the mouth can be arranged at the edge of the feed line 31, 35, so that the flow in the feed line 31, 35 flows past the mouth of the branch line. As a result, the static pressure of the supply line 31, 35 in the respective branch line 14, 20 is applied.
  • branch lines 14, 20 with their ends into the feed lines 31, 35 and bend them counter to the flow direction. Then the mouths of the branch lines 14, 20 transverse to the flow direction in the supply lines 14, 20, whereby in the branch lines in addition to the static pressure and the dynamic pressure is applied and is detected by the pressure / displacement transducers 11, 12.
  • the safety control device 26 is connected to the air / oxygen valve 30 via a signal line 36. Via a further signal line 37, the safety control device 26 is connected to the fuel gas valve 34.
  • the lambda maximum safety switch 7 or the minimum lambda safety switch 8 is contacted by tilting the beam 6 from one of the beam ends 9, 10, then a signal is sent to the safety control device 26 via the corresponding signal line 25, 27.
  • the safety controller 26 then immediately gives a closing signal via the signal lines 36, 37 to the air / oxygen valve 30 and to the fuel gas valve 34.
  • the two valves 30, 34 are closed when lambda, e.g. due to a leak in one of the components outside the preset lambda range. In this way, a safe and reliable shutdown of the burner device 28 is ensured and the risk of accidents to burner devices by leaks is excluded.
  • the supply lines 31, 35 may be formed in the region between the valves 29, 33 and area wise as a hose.
  • the mixture composition is adjusted via the valves 30, 34, which are opened accordingly.
  • the valves limit the volume flow of the gases.
  • the mixture composition can also be set automatically or manually via any pressure regulator station or a flow or mixture control or the gas sources 29 and 33.
  • the air or the oxygen and the fuel gas flow from the first and second gas source 29, 33 through the open valves 30, 34 and the supply lines 31, 35 in the burner 32.
  • the two gases are ignited and the burning process begins ,
  • the gas mixture composition is subject during the firing process in the burner 32 system-related fluctuations or deviates from the setpoint range due to the failure or deviations of the mixture control or manual incorrect operation, which are within the equilibrium range or tolerance range set on the ratio pressure rocker 2. As already described, this tolerance range is set via the equilibrium range which can be set via the supports 4, 5.
  • the equilibrium range corresponds to the lambda range. If a leak occurs on one or more components of the burner device 28, for example on one of the valves 30, 34 or the lines 14, 20, 31, 35, or if the mixture control deviates from the desired value range, then this changes in the corresponding pressure chamber 15, 21 of the corresponding pressure / displacement transducer 11, 12 applied pressure, whereby the transmitted via the linkage of the pressure / Wegwandlers 11, 12 on the beam ends 9, 10 force changes its magnitude. This has the consequence that the balance of forces on the bar ends 9, 10 and the lever arms A, B, C, D of the ratio pressure rocker 2 changes. Lambda becomes larger or smaller according to the above formula and changes beyond the preset lambda range. The bar 6 the ratio pressure rocker 2 gets out of the equilibrium range and thus out of balance.
  • the bar tilts over the second or the first support 5, 4 in the direction of maximum lambda safety switch 7 or lambda minimum safety switch 8 and the corresponding bar end 9, 10 contacts one of the two safety switches 7, 8.
  • a signal is given to the safety controller 26.
  • the safety control device 26 outputs a closing signal to the two valves 30, 34 via the signal lines 36, 37 and the valves 30, 34 are immediately closed.
  • the burner 32 is no longer supplied with gas and goes out or shuts off. In this way, if a leak occurs, the entire burner device 28 will be promptly released by the monitoring device 1, i. within the EU regulation of 3 seconds, safe and reliable shut off.
  • FIG. 2 The inventive device 1 for mixture monitoring for gas mixtures according to the second embodiment is shown in FIG FIG. 2 shown together with a burner device 28.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that on the base 3 facing side of the beam 6 at the beam ends 9, 10, a third and a fourth pressure / Wegwandler 40, 41 are arranged and connected to the beam ends 9, 10.
  • the third pressure / displacement converter 40 has a connection opening 42, which is connected to a branch line 43 for supplying air or oxygen.
  • the connection opening 42 opens into a pressure chamber 44, which is bounded by a membrane 45.
  • the membrane 45 is connected via a linkage 46 with a arranged at the beam end 9 bearing 18.
  • the fourth pressure / Wegwandler 41 has a connection opening 47 which is connected to a branch line 48 for supplying fuel gas.
  • the connection opening 47 opens into a pressure chamber 49, which is delimited by a membrane 50.
  • the membrane 50 is connected via a linkage 51 with a arranged on the beam end 10 bearing 24.
  • the branch line 14 of the first pressure / displacement converter 11 and the branch line of the third pressure / Wegwandlers 43 are connected to a first line section 52.
  • a flow resistance 53 is integrated into the first line section 52.
  • the flow resistance 53 may have a variable flow resistance, such as a flow resistance. a valve, his.
  • the branch line 20 of the second pressure / Wegwandlers 12 and the branch line 48 of the fourth pressure / Wegwandlers 41 are connected to a second line section 54.
  • a flow resistance 55 is integrated into the second line section 54.
  • the flow resistance 55 may be a variable flow resistance.
  • the two opposing pressure / displacement transducers 11, 40 and 12, 41 transmit the pressure applied to the membranes 16, 45 and 22, 50, respectively, of the corresponding fluid to the rods 17, 46 and 23, 51, respectively Linkage 17, 46 and 23, 51 act on the corresponding beam end 9, 10 of the ratio pressure rocker 2 with a force. This force is proportional to the pressure difference decreasing at the flow resistances. In this way, the fluid flows or the volume flows of the two fluids are compared.
  • the linkage 17 and 46 or 23 and 51 can also be designed in each case as a linkage.
  • the linkages 17, 46, 23, 51 may have an axial bearing 57.
  • the air or oxygen flows from the air / oxygen source 29 or the gas flows from the gas source 33 to the burner 32.
  • the direction along which these currents flow is referred to as the flow direction 56.
  • the first and second pressure / displacement transducers 11, 12 are connected to the branch line 14, 20 arranged upstream of the flow resistance 53, 54 in the flow direction 56.
  • the third and fourth pressure / displacement transducers 40, 41 are connected to the branch line 43, 48 arranged downstream of the flow resistance 53, 54 in the flow direction 56.
  • the arranged on the side facing away from the base 3 side pressure / Wegwandler 11, 12 also engage on the same side of the beam 6 and act on the beam 6 each with a force. With respect to the supports 4, 5 they each exert an opposite moment on the beam.
  • the inventive device 1 for mixture monitoring for fluid mixtures according to the second embodiment is in a burner device 28 according to FIG. 2 used. Unless otherwise described, the burner apparatus corresponds to the burner apparatus according to the first embodiment.
  • the first and second line sections are part of the feed lines 31, 35.
  • the branch lines 14, 20, 43, 48 thus open into the respective feed line 31, 35.
  • the method for fluid monitoring for fluid mixtures of two fluids by means of the monitoring device 1 according to the invention with reference to the in FIG. 2 illustrated burner device 28 explained. Unless otherwise described, the method corresponds to the method according to the first exemplary embodiment.
  • the air or oxygen passes via the connection openings 13, 42 into the pressure chambers of the first and third pressure / displacement transducers 11, 40.
  • the gas pressure applied in the pressure chambers 15, 44 exerts in each case a force on the membranes 16, 45 of the pressure / Wegwandler 11, 40 from.
  • the corresponding fuel gas passes via the connection openings 19, 47 into the pressure chambers of the second and fourth pressure / displacement transducers 12, 49.
  • the gas pressure applied in the pressure chambers 21, 49 exerts a respective force on the membranes 22, 50 of the pressure / Wegwandler 12, 49 from.
  • the desired ratio of the resulting forces is set. If the resulting forces in the desired ratio within the allowable tolerance, then the beam 6 is in equilibrium and the fluid mixture can be supplied to the burner.
  • variable flow resistances 53, 55 By means of the variable flow resistances 53, 55, the pressure difference between the respective pressure / displacement transducers 11, 12 connected upstream of the flow resistance 53, 55 and between the pressure / displacement transducers 40, 41 connected downstream of the flow resistance 53, 55 is adjustable. About the bar, the pressure difference ratio of the two flow resistances 53, 55 is compared. The desired ratio of the pressure difference or the volume flows is thus basically also on the flow resistance 53, 55 adjustable. This setting can also by a combination of the adjustment of the flow resistances 53, 55 and the displacement of the supports 4, 5 done.
  • the gas mixture composition is subject during the firing process in the burner 32 system-related fluctuations or deviates from the setpoint range due to the failure or inaccuracies of the mixture control, which are within the equilibrium range or tolerance range set on the ratio pressure rocker 2.
  • This tolerance range is set as in the first embodiment on the adjustable distance of the supports 4, 5.
  • the bar tilts over the second or the first support 5, 4 in the direction of maximum lambda safety switch 7 or lambda minimum safety switch 8 and the corresponding bar end 9, 10 contacts one of the two safety switches 7, 8.
  • a signal is given to the safety controller 26.
  • the safety control device 26 outputs a closing signal to the two valves 30, 34 via the signal lines 36, 37 and the valves 30, 34 are immediately closed.
  • the burner 32 is no longer supplied with gas and goes out or shuts off. In this way, for example, the occurrence of a blockage or a hole or the failure or deviations of Gemsichregelung the entire burner device 28 switched off safely and reliably by the monitoring device 1 immediately.
  • the pressure / displacement transducers 11, 12, 40, 41 can also have different effective areas for the implementation of a pressure in a path or a force. In this way, at high fluid pressure ratios of the two mixture-forming fluids by a suitable choice of the size of the active surfaces or membranes 16, 22, 45, 50 of the pressure / Wegwandler 11, 12, 40, 41 improves the accuracy of the turn-off. In addition, a suitable choice of the size of the effective surfaces of the pressure / Wegwandler 11, 12, 40, 41 allows a more compact design of the device. At a fluid pressure ratio of e.g. 1:20 results in an equilibrium point on the bar of 1: 2 instead of 1:20 with a membrane ratio of 1:10.
  • the device according to the invention is preferably used for mixture monitoring for gas mixtures of two gases. But it can also be used to control any fluid mixtures, including liquids and / or gases.
  • the differential pressure across the burner 32 is measured.
  • This embodiment corresponds to the in FIG. 2 shown embodiment.
  • the pressure / Wegwandier 40, 41 are directly connected to a combustion or furnace chamber of the burner 32.
  • the differential pressure between the supply line 31, 35 in the region upstream of the flow resistances 53, 55 and the combustion or furnace chamber of the burner 32 is measured.
  • the pressure Weg- / converter 11, 12 are connected to the lines 31, 35 immediately before the burner (dashed lines shown). In this case, the pressure difference acts solely on the differential pressure through the flow resistance of the burner.
  • the devices according to the invention offer a high level of safety in the case of changes in the flow resistance due to staining and a false gas mixture composition resulting from a blockage on the burner.
  • the device according to the invention according to the second and third embodiments offers the possibility to connect a monitoring device at almost any points of a burner device.
  • a monitoring device for example, there is the possibility of a central overall mixture monitoring of several Einzelrbenneranlagen a furnace.
  • a plurality of burners can be monitored with one monitoring device.
  • the pressure / displacement transducers are preferably at a point of constant pressure, e.g. behind the two pressure control stations (30, 34) of the two fluids or behind a mixing point of the two gases in the burner, e.g. at firing upstream of the burner and downstream behind the burner in the furnace, arranged.
  • the differential pressure is detected via the burner. In this way, O-chamber pressure fluctuations are compensated for in firing.
  • the burner device is usually operated with an approved automatic burner control system / system (not shown). This controls the starting process of the burner via various sequences, with safety times and the usual parameters. About the automatic burner is released for a controller (not shown), the Burner controls. The burner is then in the operating state.
  • the device according to the invention can with a prescribed max. Fault tolerance time of, for example, 3 seconds (realizable eg via approved safety time relay) can be simply switched off via a monitor chain input (not shown) of the burner burner control unit.
  • the safety control device outputs an acoustic warning signal instead of the closing signal or in addition to the closing signal.
  • the pressure measurement of the two fluids can take place at any point of the burner device.
  • the monitoring device according to the invention can typically be used in high power burner devices with a power of 500 kW to several megawatts.
  • the monitoring device can be used as a second channel for an electronic mixture preparation, which usually has its own automatic shutdown.
  • the monitoring device according to the invention is a cost-effective, reliable electromechanical solution with which simply the requirements of the standards can be met.
  • the monitoring device according to the invention is also basically suitable alone intrinsically safe to monitor a burner or other mixing ratio.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Gasgemische aus zwei Gasen umfasst - zwei Einrichtungen zur Umsetzung eines Druckes in eine Kraft bzw. in einen Weg, die im folgenden als Druck-/Wegwandler bezeichnet werden, die den in den Druck-/Wegwandlern anliegenden Druck in einen Weg umwandeln und - einen Balken der kippbar auf zwei verschiebbaren Auflagern gelagert ist, wobei jeweils ein Balkenende mit einem der Druck-/Wegwandler derart verbunden ist, dass der Balken kippt, wenn die beiden Druck-/Wegwandler nicht mehr in einem vorbestimmten Gleichgewichtsbereich sind, und - zumindest eine Detektoreinrichtung, die ein Kippen des Balkens detektiert und ein Signal ausgibt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden.
  • Grundsätzlich muss eine Gas-Luft- oder auch Gas-Sauerstoffverbundregeleinrichtung ein Gemisch präzise und sicher bereitstellen. Dies kann z.B. über ein mechanisches Gestänge, eine pneumatische Ausführung oder eine elektronische Verbundregeleinrichtungen realisiert werden. Bei mechanischen Gestängen oder pneumatischen Ausführungen ist es nicht notwendig, diese redundant auszuführen. Redundant bedeutet, dass sicherheitstechnische Systeme derart ausgelegt werden, damit beim Ausfall einer Komponente die anderen Komponenten die entsprechende Funktion gewährleisten. Dadurch minimiert man das Risiko, dass diese Komponenten einer gemeinsamen Störung unterliegen. Elektronische Verbundregeleinrichtungen arbeiten redundant, beispielsweise mit zwei Messungen mit sicherheitsgerichteter Steuerung über ein Steuergerät.
  • Gemäß der DIN EN 12067-1/2 muss eine elektronische Gemischregelung zweikanalig ausgeführt werden, um im Schadensfall eine Störabschaltung durchzuführen, um so einen Unfall zu vermeiden.
  • Die DIN-Normen besagen, dass der Luftmassenstrom zum Gasmassenstrom immer in einem Verhältnis stehen muss, das sicher gezündet werden kann, um so im gesamten Betriebsbereich eine stabile und sichere Verbrennung am Brenner aufrechtzuerhalten. Das Verhältnis muss nicht unter allen Betriebsbedingungen denselben Wert haben.
  • Die Konstruktion und Ausführung der Luft-Gas-Verhältnisregelung muss sowohl die Betriebsbedingungen als auch die Eigenschaften von Brennstoff und Verbrennungsluft berücksichtigen. Im Fehlerfall soll das System zu einem höheren Luftüberschuss tendieren oder zu einer Störabschaltung führen, falls das Luft-Gas-Verhältnis zu einem nicht sicheren Zustand führt.
  • Pneumatische Gas-Luft-Verbundregier müssen der DIN EN 12067-1 entsprechen.
  • Elektronische Gas-Luft-Verbundregler sind nach der DIN EN 12067-2 zu konstruieren und auszuführen.
  • Falls elektronisch (DIN EN 12067-2 konform) oder mechanisch verbundene Gas- und Verbrennungsluftventile für eine Verhältnisregelung verwendet werden müssen zusätzlich Gas- und Luftdruckwächter in Strömungsrichtung vor den Regelventilen aber nach den letzten Druckregeleinrichtungen installiert werden. Die Gas- und Luftdruckwächter überwachen jeweils den minimalen und maximalen Druck und stellen damit ein korrektes Luft-Gas-Verhältnis in Verbindung mit der oben genannten sicheren Verhältnisregelung sowie eine sichere Minimal- und Maximalleistung der industriellen Thermoprozessanlage (IThE) bei allen möglichen Betriebszuständen sicher. Diese Druckwächter müssen jeweils die Druckdifferenz zur Brennkammer überwachen, außer der Druck in der Brennkammer ist stabil bzw. konstant und bei allen Betriebszuständen der IThE gleich. Falls sowohl der Druck in der Brennkammer stabil, konstant und bei allen Betriebszuständen der IThE gleich ist als auch die Verbrennungsluft mit maximal möglichem Druck zugeführt wird (z. B. Verbrennungsluftventilator mit konstanter Drehzahl und flacher Kennlinie), so dass keine überhöhte Luftströmung auftreten kann, ist kein Luftdruckwächter für maximalen Luftdruck erforderlich.
  • Falls pneumatische Regler (DIN EN 12067-1 konform) verwendet werden, sollten zusätzliche Schutzmaßnahmen vorgesehen werden, um sicherzustellen, dass das Schutzsystem im Falle von Defekt oder Fehlfunktion des pneumatische Verbundreglers eine Störabschaltung bewirkt so dass ein gleichwertiges Sicherheitsniveau, wie oben beschrieben, erreicht wird.
  • Diese Ausführungsformen der zweikanaligen Gemischregelungen erfolgen in der Praxis mechanisch über ein Gestänge, über pneumatische Verbundregelungen oder über sicherheitsgerichtete Steuerungen mit redundanten Meßsystemen. Nachteilig bei diesen Systemen ist jedoch, dass sie sehr aufwendig und teuer sind.
  • Die elektronische Gemischüberwachung erfolgt bei Brennern mit Brennstoff-/Luftgemisch oder Brennstoff-/Sauerstoffgemisch häufig einkanalig und damit nicht sicherheitsgerichtet. Beispiele für einkanalige Gemischregelungen sind elektronische Vorrichtungen zur Gemischregelung mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) sowie Durchfluss- und/oder Verhältnisregelungen. Diese bekannten Verfahren sind zwar üblich aber entsprechen nicht der DIN-Norm und damit nicht den geltenden Sicherheitsvorschriften.
  • In der DE 10 2007 001 904 A1 ist ein Verfahren zum Regeln des Brennstoff-Luft-Verhältnisses eines brennstoffbetriebenen Brenners beschrieben. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, die Flamme des Brenners und/oder das Brennstoff-Luft-Verhältnis eines brennstoffbetriebenen Brenners zu regeln. Der Brenner weist eine Brenneroberfläche auf, wobei der elektrische Widerstand bzw. die Temperatur des Brenners oder eines Messelements auf der der Flamme abgewandten Seite der Brennoberfläche erfasst wird und zur Überwachung der Regelung dient. Wird festgestellt, dass der Widerstand bzw. die Temperatur des Brenners zu hoch ist, wird das Gemisch abgemagert und im anderen Fall angefettet.
  • Aus der EP 1 207 340 A2 geht ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners hervor. Das Verfahren sieht eine Funktionsüberprüfung der Gas-/Luft-Verbundregelung vor, um während des Betriebes das Gas-/Luft-Verhältnis in einem engen Arbeitsbereich zu halten. Dabei wird nach jedem Brennerstart, nach dem Überzünden vom Zünd- auf den Hauptbrenner die gesamte Wirkungskette im Regelkreis der Gas-/Luft-Verbundregelung überprüft, so dass eine Kalibrierung beim Brennerstart erfolgt. Die aktuellen Regelparameter werden mit den vorhergehenden Regelparametern verglichen um festzustellen, ob vorgegebene Grenzwerte für Abweichungen über- oder unterschritten werden.
  • In der EP 1 239 220 A2 ist ein Gasverbrennungsgerät, insbesondere ein Gasheizgerät beschrieben. Das Gasheizgerät weist ein Stellglied auf mit dem ein Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft einstellbar ist. Mittels eines Lambdasensors kann über das Abgas das Verhältnis von Luft zu Gas während der Verbrennung bestimmt werden. Ein Regelsystem, das mit dem Stellglied und dem Lambdasensor gekoppelt ist, ermöglicht eine lambdageführte Regelung des Stellglieds, wobei das Regelsystem die am Stellglied eingestellte Stellgröße und die Grenzwerte der am Stellglied einstellbaren Stellgrößen kennt. Das Regelsystem berechnet aus dem zeitlichen Verlauf der Stellgröße einen Ausfallzeitpunkt, bei dem die Stellgröße einen ihrer Grenzwerte erreicht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden bereitzustellen, die für alle Arten und Größen von Anlagen und Brenngasen zur Absicherung verwendet werden kann.
  • Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden vorgesehen, umfassend
    • zwei Einrichtungen zur Umsetzung eines Druckes in eine Kraft bzw. in einen Weg, die im folgenden als Druck-/Wegwandler bezeichnet werden, die den in den Druck-/Wegwandlern anliegenden Druck in einen Weg umwandeln und
    • einen Balken der kippbar auf zwei Auflagern gelagert ist, wobei jeweils ein Balkenende mit einem der Druck-/Wegwandler derart verbunden ist, dass der Balken kippt, wenn die beiden Druck-/Wegwandier nicht mehr in einem vorbestimmten Gleichgewichtsbereich sind, und
    • zumindest eine Detektoreinrichtung, die ein Kippen des Balkens detektiert und ein Signal ausgibt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt eine sehr einfache, mechanische bzw. elektromechanische und damit sicherheitsgerichtete Überwachung des Brennstoff/ Luft- oder Sauerstoffverhältnisses. Der Einsatz einer komplizierten sicherheitsgerichteten Elektronik mit redundanter Messtechnik zur Gemischregelung ist nicht erforderlich. Die einfache elektromechanische Vorrichtung kann als zweite Rückmeldung bzw. Absicherung zur sicheren Abschaltung einer Brenneranlage verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine sehr einfache elektromechanische Vorrichtung, die auch alleine zur Überwachung eines Gemisches verwendet werden kann. In Deutschland ist für eine solche Anwendung ein spezielles Zulassungs- und Abnahmeverfahren erforderlich.
  • Dadurch ist eine sichere Überwachung nahezu aller variablen Zweistoffgasgemische möglich.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Undichtigkeit innerhalb einer Brennervorrichtung aufgrund eines Schlauchbruchs, eines defekten Ventils usw. anhand der sich verändernden Gemischzusammensetzung detektiert und die Gaszufuhr sofort abgeschaltet, wodurch Unfälle aufgrund von Undichtigkeiten zuverlässig verhindert werden. Derartige Unfälle können durch eine falsche Gemischzusammensetzung oder austretendes Gas entstehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei Leitungsabschnitte zum Durchfluss jeweils eines Fluides vorgesehen, die von diesen in einer Strömungsrichtung durchströmt werden, wobei in den beiden Leitungsabschnitten jeweils ein Strömungswiderstand angeordnet ist und zwei weitere Druck-/Wegwandler vorgesehen sind, die jeweils an den Balkenenden zu den den Druck-/Wegwandlern gegenüberliegendenden Seiten der Balkenenden angreifen, wobei an den beiden Leitungsabschnitten in Strömungsrichtung vor und nach dem Strömungswiderstand jeweils eine Zweigleitung abzweigt, die mit einem der Druck-/Wegwandler verbunden sind, und zwei mit einem der Leitungsabschnitte verbundene Zweigleitungen jeweils ein Paar am Balken gegenüberliegende Druck-/Wegwandler mit Druck beaufschlagen.
  • Mit dieser Ausführungsform wird die Druckdifferenz eines Fluides über den Strömungswiderstand im entsprechenden Leitungsabschnitt gemessen. Das Verhältnis der Druckdifferenz der Fluide ist weitgehend proportional zum Durchflussverhältnis der Fluide. Am Balken werden somit die Fluidströme verglichen. Hierdurch wird festgestellt, ob bei einem der Fluide der Fluidstrom im Vergleich zum Fluidstom des anderen Fluids abweicht. Dies gilt sowohl für eine Zunahmen des Fluidstroms, die bspw. durch eine nicht beabsichtigte Öffnung in der Leitung verursacht wird, als auch für eine Abnahme des Fluidstroms, die bspw. durch eine Verstopfung am Brenner verursacht wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch zur Gemischüberwachung von Flüssigkeiten und Gemischen aus Flüssigkeiten und Gasen geeignet.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch in:
    • Fig. 1
    eine Brennervorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemisch überwachung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 2
    eine Brennervorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemisch überwachung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
    Fig. 3
    eine Brennervorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemisch überwachung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Gemischüberwachung für Gasgemische ist in Figur 1 zusammen mit einer Brennervorrichtung dargestellt.
  • Die Vorrichtung 1 zur Gemischüberwachung für Gasgemische wird im folgenden als Überwachungsvorrichtung bezeichnet. Diese Überwachungsvorrichtung 1 weist eine Verhältnisdruckwippe 2 mit einer ortsfest angeordneten, langgestreckten Basis 3 auf. Auf der Basis 3 sind ein erstes und ein zweites verschiebliches Auflager 4, 5 angeordnet. Auf den Auflagern 4, 5 befindet sich ein Balken 6 der über die Auflager 4, 5 schwenkbar bzw. kippbar gelagert ist. Die Auflager 4, 5 sind entlang der Längsrichtung der Basis 3 verschiebbar. Der Balken 6 ist etwa parallel zur Längsrichtung der Basis 3 angeordnet. Die Auflager 4, 5 erlauben ein Anheben des Balkens von den jeweiligen Lagern quer zur Längsrichtung.
  • Die Fixierung des Balkens 6 in Längsrichtung kann z.B. durch einen an der Basis 3 ausgebildeten Anschlag oder durch Axiallagerung der Gestänge 17 und 23 und der Fest-/Loslagerung der Lager 18 und 24 (nicht dargestellt) realisiert werden.
  • An den Enden der Basis 3 ist jeweils ein in Richtung zum Balken vorstehender Sockel angeordnet. Die Sockel bilden Anschläge für die Balkenenden 9, 10, so dass deren Schwenkbewegung begrenzt ist. Auf den Sockeln befindet sich jeweils ein Sicherheitsschalter 7, 8. Als Sicherheitsschalter 7, 8 werden die üblichen zugelassenen Sicherheitsschalter für Flüssigkeiten, für Gemische aus Flüssigkeiten und Gasen bzw. für Gase verwendet. Die Sicherheitsschalter 7, 8 bilden eine Detektoreinrichtung zur Detektion der Kippbewegung des Balkens 6 und sind den Balkenenden 9, 10 derart gegenüberliegend angeordnet, dass bei einer Schwenkbewegung des Balkens 6 einer der Sicherheitsschalter 7, 8 von dem jeweils gegenüberliegenden Balkenende 9, 10 betätigbar ist. Die Sicherheitsschalter können prinzipiell an jeder beliebigen Stelle die Schwenkbewegung dedektieren.
  • Die Detektoreinrichtung kann auch Kontaktsensoren, einen Drehwinkelsensor, Näherungssensoren oder andere geeignete Sensoren zur Detektion der Kippbewegung des Balkens 6 aufweisen. Ein Drehwinkelsensor kann zum Beispiel im Drehpunkt des Balkens 6 angeordnet sein.
  • Die Verhältnisdruckwippe 2 ist vorzugsweise mit ihrer Basis 3 waagerecht angeordnet. Die waagerechte Anordnung der Verhältnisdruckwippe 2 weist den Vorteil auf, dass das Eigengewicht des Balkens und aller anderen bewegten Massen die Gemischüberwachung nicht beeinflusst. Es ist jedoch auch möglich die Verhältnisdruckwippe 2 senkrecht oder in einer beliebigen anderen Lage anzuordnen.
  • Die Überwachungsvorrichtung 1 weist einen ersten und einen zweiten Druck-/Wegwandler 11, 12 auf, die mit einem der Balkenenden 9, 10 verbunden sind und auf der von der Basis 3 abgewandten Seite des Balkens 6 angeordnet sind.
  • Der erste Druck-/Wegwandler 11 weist eine Anschlussöffnung 13 auf, die mit einer Zweigleitung 14 zum Zuführen von Luft bzw. Sauerstoff verbunden werden kann, so dass der Druck in der Zweigleitung 14 am Druck-/Wegwandler 11 anliegt. Daher wird der erste Druck-/Wegwandler als Sauerstoff Druck-/Wegwandler 11 bezeichnet. Die Verbindung 14 mündet in eine Druckkammer 15, die von einer Membran 16 begrenzt ist. Die Membran 16 ist über ein Gestänge 17 mit einem am Balkenende 9 angeordneten Lager 18 verbunden.
  • Der zweite Druck-/Wegwandler 12 weist eine Anschlussöffnung 19 auf, die mit einer Zweigleitung 20 zum Zuführen von Brenngas verbunden werden kann, so dass der Druck in der Zweigleitung 20 am Druck-/Wegwandfer 12 anliegt. Daher wird der zweite Druck-/Wegwandler als Brenngas-Druck-/Wegwandler 12 bezeichnet. Die Verbindung 19 mündet in eine Druckkammer 21, die von einer Membran 22 begrenzt ist. Die Membran 22 ist über ein Gestänge 23 mit einem am anderen Balkenende 10 angeordneten Lager 24 verbunden.
  • Die beiden Druck-/Wegwandler 11, 12 übertragen den an den Membranen 16, 22 anliegenden Druck bzw. Volumenstrom des entsprechenden Gases auf die Gestänge 17, 23. Die Gestänge 17, 23 beaufschlagen die beiden Balkenenden 9, 10 der Verhältnisdruckwippe 2 mit einer zum jeweiligen Druck proportionalen Kraft.
  • Die Druck-/Wegwandler 11, 12 können anstelle der Membran auch einen Kolben, einen Balgen oder einen Ballon aufweisen oder als eine andere geeignete Druck-/Wegwandeleinrichtung ausgebildet sein.
  • An den beiden Balkenenden 9, 10 sind Federn 38, 39 angeordnet. Die Federn 38, 39 sind derart ausgebildet, dass sie dem Balken 6 beim Anfahren der Brennervorrichtung eine gewisse Stabilität verleihen und auf diese Weise ein Kippen des Balkens 6 bei niedrigen bzw. schwankenden Gasströmen während des Anfahrvorgangs verhindern.
  • Anstelle der Federn können die zusätlichen Kräfte zur Begrenzung der minimalen Auslösekräfte auch durch Waagengewichte ausgeübt werden. Bei einer vertikalen Anordnung des Balkens können die Kräfte über Seilzüge und Umlenkrollen entsprechend umgeleitet werden.
  • Jedes Balkenende 9,10 kann zusätzlich mit einer Kraft, z.B. über die Feder 38 und/oder die Feder 39, parallel zur Krafteinwirkung der Druck-/Wegwandler 11, 12 beaufschlagt werden, um bei einer Abweichung der Dichteverhältnisse der Fluide in einem beliebigen Durchflusspunkt eine Korrektur vornehmen zu können.
  • Der Balken 6 bildet mit seinen sich vom ersten Auflager 4 zu den beiden Balkenenden 9, 10 erstreckenden Abschnitten jeweils ein erstes Paar Hebelarme A, B. Ein zweites Paar Hebelarme wird durch die sich vom zweiten Auflager 5 zu den Balkenenden 9, 10 erstreckenden Abschnitte des Balkens 6 ausgebildet. Die Längen der Hebelarme A, B bzw. C, D jeweils eines der Paare von Hebelarmen definieren ein erstes und ein zweites Hebelverhältnis.
  • Entsprechen die an den Balkenenden 9, 10 anliegenden Kräfte dem ersten Hebelverhältnis, dann ist der Balken 6 am ersten Auflager 4 im Gleichgewicht gelagert. Dieses Kraftverhältnis wird im Folgenden als erstes Gleichgewichtsverhältnis bezeichnet. Gleiches gilt für ein Kraftverhältnis, das dem zweiten Hebelverhältnis entspricht und dazu führt, dass der Balken 6 am zweiten Auflager 5 im Gleichgewicht lagert. Dies wird als zweites Gleichgewichtsverhältnis bezeichnet. Die Kraftverhältnisse, die einen Betrag zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftverhältnis aufweisen, führen dazu, dass der Balken 6 nicht kippt und damit im Gleichgewicht ist. Dieser Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftverhältnis wird deshalb als Gleichgewichtsbereich bezeichnet.
  • Der Gleichgewichtsbereich der Verhältnisdruckwippe 2 ist über die beiden Auflager 4, 5 einstellbar.
  • Das Kräfteverhältnis bzw. Druckverhältnis ist für ein konstantes Dichteverhältnis der beiden Gase, an Druck-/Wegwandlern bzw. den Messpunkten, proportional dem Massenstromverhältnis und damit dem Verhältnis der Gaszusammensetzung. Das stöchiometrische Verhältnis der Gaszusammensetzung insbesondere das Verhältnis Luft bzw. Sauerstoff zu Brenngas wird als Lambda λ bezeichnet. Für eine konstante Gasdichte an den Messpunkten ist λ proportional zum Druckverhältnis.
  • Der oben beschriebene Gleichgewichtsbereich entspricht einem Lambdabereich.
  • Wird Lambda größer als der Lambdabereich, kippt das Balkenende 9, das mit dem Luft bzw. Sauerstoff Druck-/Wegwandler 11 verbunden ist, über das Auflager 5 in Richtung des Sicherheitsschalters 7. Daher wird dieser Sicherheitsschalter als Lambda-Maximum-Sicherheitsschalter 7 bezeichnet. Wird Lambda kleiner als der LambdaBereich kippt das Balkenende 10, das mit dem Brenngas Druck-/Wegwandler 12 verbunden ist, über das Auflager 4 in Richtung Sicherheitsschalter 8. Daher wird dieser Sicherheitsschalter als Lambda-Minimum-Sicherheitsschalter 8 bezeichnet. Je größer der Abstand zwischen den beiden Auflagern 4, 5 ist, desto größer ist der Gesamtgleichgewichtsbereich bzw. der Lambdabereich bevor der Balken 6 aufgrund einer Lambdaänderung aus dem Gleichgewicht gerät und kippt.
  • Der Lambda-Maximum-Sicherheitsschalter 7 ist über eine Signalleitung 25 mit einer Sicherheitssteuereinrichtung 26 verbunden. Der Lambda-Minimum-Sicherheitsschalter 8 ist ebenfalls über eine Signalleitung 27 mit der Sicherheitssteuereinrichtung 26 verbunden. Die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gibt bei Betätigung eines der beiden Sicherheitsschalter 7, 8 ein Signal aus. Dieses Signal kann zur Ausgabe einer Warnmeldung an einem Benutzer oder unmittelbar zur Abschaltung der Gaszufuhr verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Gemischüberwachung für Gasgemische wird in einer Brennervorrichtung 28 gemäß Figur 1 verwendet.
  • Die Brennervorrichtung 28 weist eine erste Gasquelle 29 zum Zuführen von Luft oder Sauerstoff auf.
  • Die erste Gasquelle 29 ist über ein Luft/Sauerstoff-Ventil 30 mit einer Zuführleitung 31 zum Zuführen von Luft oder Sauerstoff verbunden. Die Zuführleitung 31 ist an einen Brenner 32 angeschlossen.
  • Von der Zuführleitung 31 bzw. vom Luft-/Sauerstoffbereich des Brenners führt die Zweigleitung 14 zur Anschlussöffnung 13 des Luft bzw. Sauerstoff Druck-/Wegwandlers 11 der Vorrichtung 1.
  • Eine zweite Gasquelle 33 der Brennervorrichtung ist zum Zuführen eines Brenngases vorgesehen. Als Brenngas können alle gängigen Brenngase wie z.B. Erdgas, Propan, Butan, Wasserstoff usw. vorgesehen sein.
  • Die zweite Gasquelle 33 ist über ein Brenngas-Ventil 34 mit einer Zuführleitung 35 zum Zuführen von Brenngas verbunden. Die Zuführleitung 35 ist ebenfalls an den Brenner 32 angeschlossen.
  • Von der Zuführleitung 35 bzw. vom Gasbereich des Brenners führt die Zweigleitung 20 zur Anschlussöffnung 19 des Brenngas Druck-/Wegwandlers 12 der Vorrichtung 1.
  • Die Zweigleitungen 14, 20 münden in die jeweilige Zuführleitung 31, 35. Die Mündung kann am Rand der Zuführleitung 31, 35 angeordnet sein, so dass die Strömung in der Zuführleitung 31, 35 an der Mündung der Zweigleitung vorbei strömt. Hierdurch liegt der statische Druck der Zuführleitung 31, 35 in der jeweiligen Zweigleitung 14, 20 an.
  • Es kann auch sinnvoll sein, die Zweigleitungen 14, 20 mit ihren Enden in die Zuführleitungen 31, 35 einzuführen und entgegen der Strömungsrichtung abzubiegen. Dann liegen die Mündungen der Zweigleitungen 14, 20 quer zur Strömungsrichtung in den Zuführleitungen 14, 20, wodurch in den Zweigleitungen neben dem statischen Druck auch der dynamische Druck anliegt und von den Druck-/Wegwandlern 11, 12 erfasst wird.
  • Hierdurch liegt der Gesamtdruck der Zuführleitung 31, 35 in der jeweiligen Zweigleitung 14, 20 an.
  • Über eine Signalleitung 36 ist die Sicherheitssteuereinrichtung 26 mit dem Luft/Sauerstoff-Ventil 30 verbunden. Über eine weitere Signalleitung 37 ist die Sicherheitssteuereinrichtung 26 mit dem Brenngas-Ventil 34 verbunden.
  • Wird der Lambda-Maximum-Sicherheitsschalter 7 oder der Lambda-Minimum-Sicherheitsschalter 8 durch das Kippen des Balkens 6 von einem der Balkenenden 9, 10 kontaktiert, dann wird ein Signal über die entsprechende Signalleitung 25, 27 an die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gegeben. Die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gibt dann sofort ein Schließsignal über die Signalleitungen 36, 37 an das Luft/Sauerstoff-Ventil 30 und an das Brenngas-Ventil 34. Die beiden Ventile 30, 34 werden geschlossen wenn, sich Lambda z.B. aufgrund einer Undichtigkeit in einem der Bauteile außerhalb des voreingestellten Lambdabereichs gelangt. Auf diese Weise wird eine sichere und zuverlässige Abschaltung der Brennervorrichtung 28 gewährleistet und die Gefahr von Unfällen an Brennervorrichtungen durch Undichtigkeiten wird ausgeschlossen.
  • Die Zuführleitungen 31, 35 können im Bereich zwischen den Ventilen 29, 33 auch Bereichsweise als Schlauch ausgebildet sein.
  • Im folgenden wird das Verfahren zur Fluidüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden mittels der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 1 anhand der in Figur 1 dargestellten Brennervorrichtung 28 erläutert.
  • Über den Abstand der beiden Auflager 4, 5 wird der Gleichgewichtsbereich der Verhältnisdruckwippe eingestellt. Dieser Gleichgewichtsbereich bestimmt die Toleranz der Gemischabweichung von der voreingestellten Gemischzusammensetzung. Je größer der Abstand der beiden Auflager 4, 5 ist desto größer ist der Gleichgewichts- bzw. der Lambdabereich.
  • Die Gemischzusammensetzung wird über die Ventile 30, 34 eingestellt, die entsprechend geöffnet werden. Die Ventile begrenzen den Volumenstrom der Gase. Die Gemischzusammensetzung kann auch über eine beliebige Druckreglerstation oder eine Durchfluss- bzw. Gemischregelung oder die Gasquellen 29 und 33 automatisch oder manuell eingestellt werden.
  • Die Luft bzw. der Sauerstoff und das Brenngas strömen aus der ersten und der zweiten Gasquelle 29, 33 durch die geöffneten Ventile 30, 34 und über die Zuführleitungen 31, 35 in den Brenner 32. Im Brenner werden die beiden Gase gezündet und der Brennvorgang beginnt.
  • Über die an die Zuführleitungen 31, 35 angeschlossenen Zweigleitungen 14, 20 gelangt das entsprechende Gas über die Anschlussöffnungen 13, 19 in die Druckkammer des Sauerstoff Druck-/Wegwandlers 11 und des Brenngas-Druck-/Wegwandlers 12. Der in den Druckkammern 15, 21 anliegende Gasdruck übt eine Kraft auf die Membranen 16, 22 der Druck-/Wegwandler aus. Diese Kraft wird in Form einer Wegänderung über die Gestänge 17, 23 auf die Balkenenden 9, 10 übertragen.
  • Die Gasgemischzusammensetzung unterliegt während des Brennvorgangs im Brenner 32 systembedingten Schwankungen oder weicht durch den Ausfall oder Abweichungen der Gemischregelung oder manuelle Fehlbedienung vom Sollwertbereich ab, die innerhalb des an der Verhältnisdruckwippe 2 eingestellten Gleichgewichtsbereichs bzw. Toleranzbereichs liegen. Dieser Toleranzbereich wird wie bereits beschrieben über den über die Auflager 4, 5 einstellbaren Gleichgewichtsbereich eingestellt.
  • Der Gleichgewichtsbereich entspricht dem Lambdabereich. Tritt eine Undichtigkeit an einem oder mehreren Bauteilen der Brennervorrichtung 28 wie zum Beispiel an einem der Ventile 30, 34 oder den Leitungen 14, 20, 31, 35 auf, oder weicht die beliebige Gemischregelung vom Sollwertbereich ab, dann ändert sich der in der entsprechenden Druckkammer 15, 21 des entsprechenden Druck-/Wegwandlers 11, 12 anliegende Druck, wodurch auch die über das Gestänge des Druck-/Wegwandlers 11, 12 auf die Balkenenden 9, 10 übertragene Kraft ihren Betrag ändert. Dies hat zur Folge, dass sich das Kräfteverhältnis an den Balkenenden 9, 10 bzw. den Hebelarmen A, B, C, D der Verhältnisdruckwippe 2 ändert. Lambda wird gemäß der obigen Formel größer oder kleiner und ändert sich über den voreingestellten Lambdabereich hinaus. Der Balken 6 der Verhältnisdruckwippe 2 gerät aus dem Gleichgewichtsbereich und somit aus dem Gleichgewicht.
  • Der Balken kippt über das zweite oder das erste Auflager 5, 4 in Richtung Lambda-Maximum-Sicherheitsschalter 7 oder Lambda-Minimum-Sicherheitsschalter 8 und das entsprechende Balkenende 9, 10 kontaktiert einen der beiden Sicherheitsschalter 7, 8. Über die entsprechende Signalleitung 25, 27 wird ein Signal an die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gegeben. Die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gibt über die Signalleitungen 36, 37 ein Schließsignal an die beiden Ventile 30, 34 und die Ventile 30, 34 werden sofort geschlossen. Der Brenner 32 wird nicht mehr mit Gas versorgt und geht aus bzw. schaltet ab. Auf diese Weise wird beim Auftreten einer Undichtigkeit die gesamte Brennervorrichtung 28 durch die Überwachungsvorrichtung 1 unverzüglich, d.h. innerhalb der EU-Vorschrift von 3 Sekunden, sicher und zuverlässig abgeschaltet.
  • Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an Hand eines zweiten Ausführungsbeispiels erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, sofern nichts anderes beschrieben ist. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden nicht noch mal erläutert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Gemischüberwachung für Gasgemische gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in Figur 2 zusammen mit einer Brennervorrichtung 28 dargestellt.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass auf der der Basis 3 zugewandten Seite des Balkens 6 an den Balkenenden 9, 10 ein dritter und eine vierter Druck-/Wegwandler 40, 41 angeordnet und mit den Balkenenden 9, 10 verbunden sind.
  • Der dritte Druck-/Wegwandler 40 weist eine Anschlussöffnung 42 auf, die mit einer Zweigleitung 43 zum Zuführen von Luft bzw. Sauerstoff verbunden ist. Die Anschlussöffnung 42 mündet in eine Druckkammer 44, die von einer Membran 45 begrenzt ist. Die Membran 45 ist über ein Gestänge 46 mit einem am Balkenende 9 angeordneten Lager 18 verbunden.
  • Der vierte Druck-/Wegwandler 41 weist eine Anschlussöffnung 47 auf, die mit einer Zweigleitung 48 zum Zuführen von Brenngas verbunden ist. Die Anschlussöffnung 47 mündet in eine Druckkammer 49, die von einer Membran 50 begrenzt ist. Die Membran 50 ist über ein Gestänge 51 mit einem am Balkenende 10 angeordneten Lager 24 verbunden.
  • Die Zweigleitung 14 des ersten Druck-/Wegwandlers 11 und die Zweigleitung des dritten Druck-/Wegwandlers 43 sind mit einem ersten Leitungsabschnitt 52 verbunden. Im Bereich zwischen den Anschlussstellen der Zweigleitung 14 des ersten Druck-/Wegwandlers 11 und der Zweigleitung 43 des dritten Druck-/Wegwandlers 40 ist in den ersten Leitungsabschnitt 52 ein Strömungswiderstand 53 integriert. Der Strömungswiderstand 53 kann ein veränderlicher Strömungswiderstand, wie z.B. ein Ventil, sein.
  • Die Zweigleitung 20 des zweiten Druck-/Wegwandlers 12 und die Zweigleitung 48 des vierten Druck-/Wegwandlers 41 sind mit einem zweiten Leitungsabschnitt 54 verbunden. Im Bereich zwischen der Zweigleitung 20 des ersten Druck-/Wegwandlers 12 und der Zweigleitung 48 des vierten Druck-/Wegwandlers 41 ist in den zweiten Leitungsabschnitt 54 ein Strömungswiderstand 55 integriert. Der Strömungswiderstand 55 kann ein veränderlicher Strömungswiderstand sein.
  • Die beiden sich gegnüberliegenden Druck-/Wegwandler 11, 40 bzw. 12, 41 übertragen den an den Membranen 16, 45 bzw. 22, 50 anliegenden Druck bzw. Volumenstrom des entsprechenden Fluides auf die Gestänge 17, 46 bzw. 23, 51. Die Gestänge 17, 46 bzw. 23, 51 beaufschlagen das entsprechende Balkenende 9, 10 der Verhältnisdruckwippe 2 mit einer Kraft. Diese Kraft ist proportional zu der an den Strömungswiderständen abfallenden Druckdifferenz. Auf diese Weise werden die Fluidströme bzw. die Volumenströme der beiden Fluide miteinander verglichen.
  • Die Gestänge 17 und 46 bzw. 23 und 51 können auch jeweils als ein Gestänge ausgebildet sein. Die Gestänge 17, 46, 23, 51 können eine axiale Lagerung 57 aufweisen.
  • Die Luft bzw. der Sauerstoff strömt von der Luft-/Sauerstoffquelle 29 bzw. das Gas strömt von der Gasquelle 33 zum Brenner 32. Die Richtung entlang der diese Ströme strömen wird als Strömungsrichtung 56 bezeichnet.
  • Der erste und der zweite Druck-/Wegwandler 11, 12 sind mit der in Strömungsrichtung 56 vor dem Strömungswiderstand 53, 54 angeordneten Zweigleitung 14, 20 verbunden.
  • Der dritte und der vierte Druck-/Wegwandler 40, 41 sind mit der in Strömungsrichtung 56 nach dem Strömungswiderstand 53, 54 angeordneten Zweigleitung 43, 48 verbunden.
  • Somit greifen die auf der der Basis 3 zugewandten Seite angeordneten Druck-/Wegwandler 40, 41 den Balken 6 auf der gleiche Seite an und üben bezüglich der Auflager 4, 5 jeweils ein entgegengesetztes Moment auf den Balken 6 aus.
  • Die auf der von der Basis 3 abgewandten Seite angeordneten Druck-/Wegwandler 11, 12 greifen ebenfalls auf der gleichen Seite des Balkens 6 an und beaufschlagen den Balken 6 jeweils mit einer Kraft. Bezüglich der Auflager 4, 5 üben sie jeweils ein entgegengesetztes Moment auf den Balken aus.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Gemischüberwachung für Fluidgemische gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird in einer Brennervorrichtung 28 gemäß Figur 2 verwendet. Die Brennervorrichtung entspricht, sofern nichts anderes beschrieben ist, der Brennervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Der erste und der zweite Leitungsabschnitt sind Bestandteil der Zuführleitungen 31, 35. Die Zweigleitungen 14, 20, 43, 48 münden somit in die jeweilige Zuführleitung 31, 35.
  • Im folgenden wird das Verfahren zur Fluidüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden mittels der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 1 anhand der in Figur 2 dargestellten Brennervorrichtung 28 erläutert. Das Verfahren entspricht, sofern nichts anderes beschrieben ist, dem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Über den Abstand der beiden Auflager 4, 5 wird der Gleichgewichtsbereich der Verhältnisdruckwippe eingestellt.
  • Über die an die Zuführleitung 31 angeschlossenen Zweigleitungen 14, 43 gelangt die Luft oder der Sauerstoff über die Anschlussöffnungen 13, 42 in die Druckkammern des ersten und des dritten Druck-/Wegwandlers 11, 40. Der in den Druckkammern 15, 44 anliegende Gasdruck übt jeweils eine Kraft auf die Membranen 16, 45 der Druck-/Wegwandler 11, 40 aus. Diese beiden Kräfte sind unterschiedlich groß und entgegengerichtet. Somit gibt es eine resultierende Kraft, die proportional zum Druckabfall am Strömungswiderstand 53 und damit proportional zum Fluss durch die Zuführleitung 31 ist und über die Gestänge 17, 46 auf das Balkenende 9 übertragen wird.
  • Über die an die Zuführleitung 35 angeschlossenen Zweigleitungen 20, 48 gelangt das entsprechende Brenngas über die Anschlussöffnungen 19, 47 in die Druckkammern des zweiten und des vierten Druck-/Wegwandlers 12, 49. Der in den Druckkammern 21, 49 anliegende Gasdruck übt jeweils eine Kraft auf die Membranen 22, 50 der Druck-/Wegwandler 12, 49 aus. Diese beiden Kräfte sind unterschiedlich groß und entgegengerichtet. Somit gibt es eine resultierende Kraft, die proportional zum Druckabfall am Strömungswiderstand 55 und damit proportional zum Fluss durch die Zuführleitung 35 ist und über die Gestänge 23, 51 auf das Balkenende 10 übertragen wird.
  • Über die Einstellung der beiden Auflager 4, 5 wird das gewünschte Verhältnis der resultierenden Kräfte eingestellt. Befinden sich die resultierenden Kräfte im gewünschten Verhältnis innerhalb der zulässigen Toleranz, dann ist der Balken 6 im Gleichgewicht und das Fluidgemisch kann dem Brenner zugeführt werden.
  • Mittels der veränderlichen Strömungswiderstände 53, 55 ist die Druckdifferenz zwischen dem jeweiligen vor dem Strömungswiderstand 53, 55 angeschlossenen Druck-/Wegwandler 11, 12 und zwischen dem nach dem Strömungswiderstand 53, 55 angeschlossenen Druck-/Wegwandler 40, 41 einstellbar. Über den Balken wird das Druckdifferenzverhältnis an beiden Strömungswiderständen 53, 55 vergeglichen. Das gewünschte Verhältnis der Druckdifferenz bzw. der Volumenströme ist somit grundsätzlich auch über die Strömungswiderstände 53, 55 einstellbar. Diese Einstellung kann auch durch eine Kombination aus der Einstellung der Strömungswiderstände 53, 55 und dem Verschieben der Auflager 4, 5 erfolgen.
  • Prinzipiell ist bei den einstellbaren Strömungswiderständen 53, 55 auch eine zentrale Lagerung des Balkens 6 möglich, da die gewünschten Verhältnisse der Druckdifferenz auch alleine durch veränderliche Strömungswiderstände 53, 55 einstellbar sind.
  • Die Gasgemischzusammensetzung unterliegt während des Brennvorgangs im Brenner 32 systembedingten Schwankungen oder weicht durch den Ausfall oder durch Ungenauigkeiten der Gemischregelung vom Sollwertbereich ab, die innerhalb des an der Verhältnisdruckwippe 2 eingestellten Gleichgewichtsbereichs bzw. Toleranzbereichs liegen. Dieser Toleranzbereich wird wie beim ersten Ausführungsbeispiel über den einstellbaren Abstand der Auflager 4, 5 eingestellt.
  • Tritt eine Verstopfung oder eine andere Störung an einem oder mehreren Bauteilen der Brennervorrichtung 28, wie zum Beispiel an einer der Düsen des Brenners oder den Leitungen 31, 35, auf, dann ändert sich die Volumenströmung und damit die über den entsprechenden Strömungswiderstand 53, 55 abfallende Druckdifferenz. Aus einer derartigen Änderung der Druckdifferenz ergibt sich eine andere resultierende Kraft. Ist die Änderung der Druckdiffernz und der damit verbundenen resultierenden Kraft zu groß bzw. liegt sie außerhalb des über die Auflager eingestellten Toleranzbereichs gerät der Balken 6 der Verhältnisdruckwippe 2 aus dem Gleichgewicht.
  • Der Balken kippt über das zweite oder das erste Auflager 5, 4 in Richtung Lambda-Maximum-Sicherheitsschalter 7 oder Lambda-Minimum-Sicherheitsschalter 8 und das entsprechende Balkenende 9, 10 kontaktiert einen der beiden Sicherheitsschalter 7, 8. Über die entsprechende Signalleitung 25, 27 wird ein Signal an die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gegeben. Die Sicherheitssteuereinrichtung 26 gibt über die Signalleitungen 36, 37 ein Schließsignal an die beiden Ventile 30, 34 und die Ventile 30, 34 werden sofort geschlossen. Der Brenner 32 wird nicht mehr mit Gas versorgt und geht aus bzw. schaltet ab. Auf diese Weise wird z.B. beim Auftreten einer Verstopfung oder einem Loch oder dem Ausfall oder Abweichungen der Gemsichregelung die gesamte Brennervorrichtung 28 durch die Überwachungsvorrichtung 1 unverzüglich sicher und zuverlässig abgeschaltet.
  • Die Druck-/Wegwandler 11, 12, 40, 41 können auch unterschiedlich große Wirkflächen zur Umsetzung eines Druckes in einen Weg bzw. eine Kraft aufweisen. Auf diese Weise wird bei großen Fluiddruckverhältnissen der beiden gemischbildenden Fluide durch eine geeignete Wahl der Größe der Wirkflächen bzw. Membranen 16, 22, 45, 50 der Druck-/Wegwandler 11, 12, 40, 41 die Genauigket der Abschaltpunkte verbessert. Zudem ermöglicht eine geeignete Wahl der Größe der Wirkflächen der Druck-/Wegwandler 11, 12, 40, 41 einen kompakteren Aufbau der Vorrichtung. Bei einem Fluiddruckverhältnis von z.B. 1:20 ergibt sich bei einem Membranverhältnis von 1:10 ein Gleichgewichtspunkt auf dem Balken von 1:2 statt 1:20.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise zur Gemischüberwachung für Gasgemische aus zwei Gasen verwendet. Sie kann aber auch zur Regelung aller beliebigen Fluidgemische, auch von Flüssigkeiten und/oder Gasen, verwendet werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wird der Differenzdruck über den Brenner 32 gemessen. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Druck-/Wegwandier 40, 41 sind jedoch direkt mit einem Brenn- bzw. Ofenraum des Brenners 32 verbunden. Auf diese Weise wird der Differenzdruck zwischen der Zuführleitung 31, 35 im Bereich vor den Strömungswiderständen 53, 55 und dem Brenn- bzw. Ofenraum des Brenners 32 gemessen. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel wirkt sich neben dem Leitungswiderstand der Leitung 31, 35 im Bereich vom jeweiligen Strömungswiderstand 53, 55 bis zum Brenner 32 und dem Widerstand des Brenners 32 auch der Strömungswiderstand 53, 55 auf den Differenzdruck aus. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Druck Weg-/Wandler 11, 12 mit den Leitungen 31, 35 unmittelbar vor dem Brenner verbunden (gestrichelt dargestellte Leitungen). Hierbei wirkt die Druckdifferenz lediglich durch den Strömungswiderstand des Brenners auf den Differenzdruck aus.
  • Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bieten insbesondere eine hohe Sicherheit bei Veränderungen der Strömungswiderstände durch Verschnmutzungen und einer aus einer Verstopfung am Brenner resultierenden falschen Gasgemischzusammensetzung.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel bietet die Möglichkeit ein Überwachungsvorrichtung an nahezu beliebigen Punkten einer Brennervorrichtung anzuschließen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit einer zentralen Gesamtgemischüberwachung mehrerer Einzelrbenneranlagen eines Ofens . Durch die Überwachung der zentralen Gaszuführungen vor den Verzweigungen zu den Einzelbrenneranlagen können mit einer Überwachungsvorrichtung mehrere Brenner überwacht werden.
  • Durch die Erfassung des Differenzdruckes ist eine Überwachung aller variablen Zweifluidgemischregelungen an beliebigen Strömungswiderständen möglich.
  • Mittels der Erfassung des Differenzdruckes zwischen dem Luft- oder Sauerstoffdruck zum Gesamtofenraumdruck und der Erfassung des Differenzdruckes zwischen dem Brenngasdruck und dem Ofenraumdruck kann ein relativ zu den beiden Fluidströmen relevanter Ofenraumdruck überwacht werden. Eine derartige Überwachung des Differenzdruckes ist z.B. bei Luftbrennern mit geringen Luftdrücken vorteilhaft, da auf dies Weise geringste Änderungen des Ofenraumdrucks detektierbar sind.
  • Die Druck-/Wegwandler sind vorzugsweise an einer Stelle konstanten Druckes z.B. hinter den beiden Druckreglerstationen (30, 34) der beiden Fluide oder hinter einer Mischstelle der beiden Gase im Brenner, z.B. bei Feuerungen stromaufwärts vor dem Brenner und stromabwärts hinter dem Brenner im Feuerraum, angeordnet. Hierbei wird dann der Differenzdruck über den Brenner erfasst. Auf diese Weise werden bei Feuerungen O-fenraumdruckschwankungen kompensiert.
  • Die Brennervorrichtung wird in der Regel mit einem zugelassenen Feuerungsautomaten/-system (nicht dargestellt) betrieben. Dieser steuert den Startvorgang des Brenners über diverse Sequenzen, mit Sicherheitszeiten und den üblichen Parametern. Über den Feuerungsautomat erfolgt die Freigabe für einen Regler (nicht dargestellt), der den Brenner regelt. Der Brenner befindet sich dann im Betriebszustand. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einer vorgeschriebenen max. Fehlertoleranzzeit von z.B. 3 Sekunden (realisierbar z.B. über zugelassene Sicherheitszeitrelais) über einen Wächterketteneingang (nicht dargestellt) des Feuerungsautomaten der Brenner einfach abgeschaltet werden.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sicherheitssteuereinrichtung anstelle des Schließsignals oder zusätzlich zum Schließsignal ein akustisches Warnsignal ausgibt.
  • Die Druckmessung der beiden Fluide kann an jeder beliebigen Stelle der Brennervorrichtung erfolgen.
  • Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung kann typischerweise in Hochleistungsbrennervorrichtungen mit einer Leistung von 500 kW bis zu mehreren Megawatt verwendet werden.
  • Die Überwachungsvorrichtung kann als zweiter Kanal für eine elektronische Gemischaufbereitung, die in der Regel eine eigene Abschaltautomatik aufweist, verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung ist eine kostengünstige, zuverlässige elektromechanische Lösung mit welcher einfach die Anforderungen der Normen erfüllt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung ist aber auch grundsätzlich alleine dazu geeignet eigensicher einen Brenner oder ein sonstiges Mischungsverhältnis zu überwachen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 Vorrichtung
    • 2 Verhältnisdruckwippe
    • 3 Basis
    • 4, 5 Auflager
    • 6 Balken
    • 7 Sicherheitsschalter
    • 8 Sicherheitsschalter
    • 9, 10 Balkenenden
    • 11 erster Druck-/Wegwandler
    • 12 zweiter Druck-/Wegwandler
    • 13 Anschlussöffnung
    • 14 Zweigleitung
    • 15 Druckkammer
    • 16 Membran
    • 17 Gestänge
    • 18 Lager
    • 19 Anschlussöffnung
    • 20 Zweigleitung
    • 21 Druckkammer
    • 22 Membran
    • 23 Gestänge
    • 24 Lager
    • 25 Signalleitung
    • 26 Sicherheitssteuereinrichtung
    • 27 Signalleitung
    • 28 Brennervorrichtung
    • 29 Luft- Sauerstoffquelle
    • 30 Luft/Sauerstoff-Ventil
    • 31 Zuführleitung
    • 32 Brenner
    • 33 Gasquelle
    • 34 Brenngasventil
    • 35 Zuführleitung
    • 36 Signalleitung
    • 37 Signalleitung
    • 38 Feder
    • 39 Feder
    • 40 dritter Druck-/Wegwandler
    • 41 vierter Druck-/Wegwandler
    • 42 Anschlussöffnung
    • 43 Zweigleitung
    • 44 Druckkammer
    • 45 Membran
    • 46 Gestänge
    • 47 Anschlussöffnung
    • 48 Zweigleitung
    • 49 Druckkammer
    • 50 Membran
    • 51 Gestänge
    • 52 erster Leitungsabschnitt
    • 53 Strömungswiderstand
    • 54 zweiter Leitungsabschnitt
    • 55 Strömungswiderstand
    • 56 Strömungsrichtung
    • 57 axiale Lagerung

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Gemischüberwachung für Fluidgemische aus zwei Fluiden umfassend
    - zwei Einrichtungen zur Umsetzung eines Druckes in eine Kraft bzw. in einen Weg, die im folgenden als Druck-/Wegwandler (11, 12) bezeichnet werden, die den in den Druck-/Wegwandlern anliegenden Druck in einen Weg bzw. in eine Kraft umwandeln und
    - einen Balken (6) der kippbar auf zwei Auflagern (4, 5) gelagert ist, wobei jeweils ein Balkenende (9, 10) mit einem der Druck-/Wegwandler derart verbunden ist, dass der Balken kippt, wenn die beiden Druck-/Wegwandler nicht mehr im Gleichgewicht sind, und
    - zumindest eine Detektoreinrichtung, die ein Kippen des Balkens (6) detektiert und ein Signal ausgibt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die beiden Auflager verschiebbar sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Balken (6) und die verschiebbaren Auflager (4, 5) Bestandteile einer Verhältnisdruckwippe (2) sind, wobei die Verhältnisdruckwippe (2) zwei Anschläge aufweist, die die Schwenkbewegung des Balkens (6) begrenzen und die Detektoreinrichtung einen Drehwinkelsensor oder zwei Sicherheitsschalter (7, 8) umfasst, wobei die Sicherheitsschalter (7, 8) entweder an den Anschlägen oder an den mit den Anschlägen in Kontakt bringbaren Bereichen des Balkens (6) angebracht sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwei Leitungsabschnitte zum Durchfluss jeweils eines Fluides vorgesehen sind und von diesen in einer Strömungsrichtung durchströmt werden, wobei in den beiden Leitungsabschnitten jeweils ein Strömungswiderstand angeordnet ist und zwei weitere Druck-/Wegwandler (40, 41) vorgesehen sind, die jeweils an den Balkenenden (9, 10) zu den den Druck-/Wegwandlern (11, 12) gegenüberliegendenden Seiten der Balkenenden angreifen, wobei an den beiden Leitungsabschnitten in Strömungsrichtung vor und nach dem Strömungswiderstand jeweils eine Zweigleitung abzweigt, die mit einem der Druck-/Wegwandler verbunden sind, und zwei mit einem der Leitungsabschnitte verbundene Zweigleitungen jeweils ein Paar am Balken gegenüberliegende Druck-/Wegwandler mit Druck beaufschlagen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an den Balkenenden (9, 10) Federn (38, 39) angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass sie parallel zur Krafteinwirkung der Druck-/Wegwandler (11, 12) den Balken (6) mit einer Kraft beaufschlagen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Anschlussstellen einer Zweigleitung (14, 20) an eine Zuführleitung (31, 35) zur Messung des statischen Druckes oder des Gesamtdruckes ausgebildet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Druck-/Wegwandler (11, 12) unterschiedlich große Wirkflächen für die Umsetzung eines Druckes in eine Kraft aufweisen.
  8. Brennervorrichtung mit
    - zwei Gasquellen (29, 33),
    - zwei Ventilen (30, 34),
    - zwei Zuführleitungen (31, 35), und
    - einem Brenner (32) zum Erzeugen einer Flamme aus zwei Gasen, und
    - einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Druck-/Wegwandler (11, 12) der Vorrichtung (1) über Zweigleitungen (14, 20) mit den Zuführleitungen (31, 35) der Brennervorrichtung (28) verbunden sind.
  9. Brennervorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Sicherheitssteuereinrichtung (26) vorgesehen ist, die mit der Detektoreinrichtung verbunden ist und zur Ausgabe eines akustischen Signals ausgebildet ist und/oder mit den Ventilen (30, 34) der Brennervorrichtung (28) verbunden ist.
  10. Verfahren zur Gemischüberwachung für Gasgemische aus zwei Gasen, wobei
    - mittels zweier Druck-/Wegwandler der in den Druck-/Wegwandlern anliegende Druck der beiden Gase in einen Weg bzw. eine Kraft umgewandelt wird und zwei Balkenenden eines
    - kippbar auf zwei verschiebbaren Auflagern gelagerten Balkens mit dem Druck bzw.der Kraft beaufschlagt werden wobei der Zustand des Balkens wenn er nicht mehr im Gleichgewicht ist,
    - von einer Detektoreinrichtung detektiert wird und diese ein Signal ausgibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Gleichgewichtsbereich des Balkens (6) durch Verschieben der beiden Auflager (4, 5) einstellbar ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Gleichgewichtsbereich des Balkens (6) durch zwei aus Hebelverhältnissen des Balkens (6) resultierende Gleichgewichte begrenzt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Gase Luft bzw. Sauerstoff und Brenngas vorgesehen sind, die Gase einem Brenner (32) zugeführt werden und über ein Signal einer Sicherheitssteuereinrichtung die Gaszufuhr zum Brenner unterbrochen wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mittels zweier Federn (38, 39) an den Balkenenden (9, 10) parallel zur Krafteinwirkung der Druck-/Wegwandler (11, 12) der Balken (6) mit einer Kraft beaufschlagt wird, um bei einer Abweichung der Druck-/Strömungsverhältnisse der Fluide in einem beliebigen Durchflusspunkt eine Korrektur vorzunehmen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung (1) zur Gemischüberwachung von Gasen, Flüssigkeiten und Gemischen aus Flüssigkeiten und Gasen verwendet wird.
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