Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und Brennwertmessgerät

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Brennwer- ten von Brenngasen und ein Brennwertmessgerät.

Das Verfahren ist nicht nur zur Bestimmung des Brennwertes reiner Erdgase vorgesehen, sondern auch für Biogase oder Brenngase mit dominierendem Wasserstoff- und Propananteil. Ziel der Kalorimetrie ist die Ermittlung thermodynamischer Eigenschaften von Stoffen über die Messung von Wärme. Wärme als Energieform tritt nur bei ihrer übertragung in Form von Wärmeströmen in Erscheinung. Wärmeströme sind stets mit einer Temperaturdifferenz verknüpft. Wärme wird in Kalorimetern über eine Temperaturdifferenz oder durch Kompensation des thermischen Effektes gemessen. Kalorimeter sind abgeschlossene thermodynamisehe Systeme.

Bei der Messung des Brennwertes eines Gases wird nicht nur die entstehende Wärme aus der Verbrennung des zu untersuchenden Gases, sondern es kann auch der Warmeinhalt der bei der Verbrennung entstehenden Abgase, z.B. Wasserdampf mit erfasst werden.

Erdgase weisen auf Grund ihrer Herkunft unterschiedliche Zusammensetzungen auf, wobei der Brennwert in einem Bereich von 33 bis 42 MJ/m ³ je nach Erdgasfördergebiet liegt, um Verände- rungen in gasanwendungstechnischen Produktionsprozessen analysieren zu können, ist die Kenntnis des Brennwertes von zentraler Bedeutung.

Bei zahlreichen Prozessen, z.B. in der Keramik-, Ziegel- und Glasindustrie oder in Großbäckereien, ist eine gleich bleibende Wärmeversorgung unerlässlich.

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Bestimmung des Brennwertes von Gasen unterschiedlicher Zusammen- Setzung in der Druckschrift DE 101 29 065 Al beschrieben, wobei

- ein konstanter Brenngasstrom mit Luftüberschuss in einer dafür geeigneten Apparatur vollständig verbrannt wird, mit einem konstanten, temperierten Zusatzluftstrom die Abgastempe- ratur in bestimmten Grenzen variabel einstellbar ist,

- ein Teil der erzeugten Wärme über einen gekühlten Wärmeleitstab aus dem Abgasstrom ausgekoppelt wird,

- die Temperaturen vor der Verbrennung, vor und nach der Aus- kopplung eines Teils der durch die Verbrennung entstandenen Wärme über den Wärmeleitstab sowie an mindestens zwei Stellen auf oder im Wärmeleitstab gemessen werden,

- die Gerätekonstante nach Verbrennung eines Testgases mit bekannten brenntechnischen Kenndaten bestimmt wird,

- der Brennwert aus den gemessenen Temperaturen und der ermittelten Gerätekonstante abgeleitet wird und - die erzielten Ergebnisse gespeichert und/oder dokumentiert werden.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Brennwerts ist in der Druckschrift DE 101 29 808 Al beschrieben, wobei folgende Schritte realisiert werden.

- Zuführen eines Gemisches von Luft und Brenngas,

- Verbrennen des Gemischs,

- Kühlen des Gemischs,

- Messen der Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung, - Messung der Temperatur des Gasgemisches nach der Kühlung.

Die Vorrichtung zur Messung des Brennwertes enthält

- eine Mischeinrichtung zur Mischung eines Brenngases mit Luft,

- einem Oxidationsbereich, - einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Gemisches nach der Verbrennung,

- einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Gemisches nach der Verbrennung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen und ein Brennwertmessgerät anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine Minimierung der Verbrennungswärmeleistung bei vollständigem Stoffumsatz und hinreichender Stabilität der Flamme bezüg- lieh Schwankungen der GasZusammensetzung und des Volumenstroms gewährleistet werden.

Außerdem soll eine minimale Zeitkonstante des Kalorimeters erreicht werden, die im Einsatz begrenzte Verfügbarkeit von Hilfsgasen sowie die angestrebte Nutzung von Mikrotechniken für die Kalorimeterfertigung begründet. Des Weiteren soll das thermische und Radikallöschung von Flammen mit Millimeter- und Submillimeterdimensionen verhindert werden. Außerdem sollen die Kosten zur Herstellung des Brenn- wertmessgerätes verringert werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 16 gelöst.

Das Verfahren zur Messung von Brennwerten von Brenngasen mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit wird gemäß dem Patentanspruch 1 mit folgenden Schritten durchgeführt: - Einleitung eines Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemischs durch eine dünne Brennerkapillare in eine miniaturisierte Mik- robrennkammer,

- Auslösung des Brennvorgangs durch Zündung und Erzeugung einer Wärmeleistung, - Leitung der bei der Verbrennung generierte Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen in eine temperaturgeregelte Wärmesenke und

- Ermittlung des Brennwertes des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung.

Die Auslösung des Brennvorgangs kann durch Funkenzündung oder durch Selbstzündung erfolgen.

Bei Realisierung einer SelbstZündung erfolgt eine Einstellung der für die Selbstzündung erforderlichen Temperatur durch eine

in bzw. auf der Brennerkapillare angebrachte elektrische Heizung.

Dabei sind die Brennkammer und der Wärmeübertrager durch eine dreidimensionale Al ₂ O ₃ -Plättchenstruktur realisiert, wobei die in bzw. auf der Brennerkapillare angebrachte Heizung auch für eine absolute Wärmeleistungskalibrierung verwendet werden kann.

Bei entsprechender Brenngasgemischqualität wird eine durch die Kapillarheizungen generierte Selbstzündung möglich.

Für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen wird ein Hilfsluftstrom von Luft/Sauerstoff als Oxidationsgas in die Mikrobrennkammer eingeleitet.

Dabei wird ein Hilfsluftstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 70ml min ^"1 eingestellt.

Das dynamische Verhalten der erfindungsgemäßen Detektionsein- heit wird nach einem Zeitgesetz 1.Ordnung durchgeführt, wobei die Zeitkonstanten für Verbrennung und elektrische Heizung nahezu übereinstimmen.

Eine Berechnung des Brennwertes kann durch die Integration mindestens eines Feuchtesensors durchgeführt werden. Der Brennwert wird unabhängig von der Gasart bestimmt.

Das Gemisch - Brenngas und Oxidationsgas - wird auf die Tempe- ratur der Wärmesenke erwärmt.

Die Kapillarheizung kann zur elektrischen Kalibrierung der kalorimetrischen Detektionseinheit dienen.

Die Kapillarheizung kann zur Glühzündung eingesetzt werden.

Die Kapillarheizung kann zur Unterstützung der Fremdzündung eingesetzt werden.

Die Kapillarheizung kann zur Stabilisierung der Flamme einge- setzt werden.

Die kalorimetrische Detektionseinheit kann für zyklische und kontinuierliche Bestimmung des Brennwertes eingesetzt werden.

In dem Brennwertmessgerät für Brenngase, versehen mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie mit einer kalorimetrischen Detektionseinheit, nach dem Verfahren nach Anspruch 1 betrieben, ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 16 die Detektionseinheit von innen nach außen gerichtet bauelmen- teanordnungsbezogen sandwichartig und weitgehend symmetrisch ausgebildet und weist folgende Baugruppen auf: einen planaren Kalorimeterkörper mit integrierter Mik- robrennkammer und einem darin eingebrachten Mikrobren- ner, wobei die Mikrobrennkammer von einem Plättchenblock aus Keramik umgeben ist, zu beiden planaren Seiten des Kalorimeterkörpers den Kalorimeterkörper einfassende Thermosäulen-Anordnungen, zu beiden planaren Seiten der Thermosäulen-Anordnungen die Thermosäulen-Anordnungen kontaktierend umfassende

Thermostatschalen, in denen sich der sandwichartig aufgebaute Kalorimeterkörper befindet, wobei der Kalorimeterkörper durch die Thermostatschalen nach außen verschließbar ist.

Der Plättchenblock enthält die Mikrobrennkammer sowie Wärmeübertrager für das abströmende Gas.

Es sind Kavitäten zur Steuerung der Wärmeströme im Kalorime- terkörper angeordnet.

Die gebildete Sandwichstruktur des Kalorimeterkörpers befindet sich zwischen den beiden temperaturgeregelten und nach außen thermisch isolierten Thermostatschalen - Aluminiumschalen - , die als konstant thermostatisierte Wärmesenke zur Wärmeflussmessung dienen.

Die beiden Thermostatschalen können durch mindestens eine Ver- schraubung miteinander fest verbunden sein, in denen sich der KaIorimeterkörper fest gehaltert befindet.

Der Plättchenblock kann aus sieben Keramik-Plättchen bestehen, wobei jeweils drei Plättchen und symmetrisch zum ersten Plättchen - dem Zentralplättchen - in der angegebenen Reihenfolge benachbart und übereinander und kontaktierend angeordnet sind.

In dem ersten Plättchen — dem Zentralplättchen - mit einer Stärke von d=l , 0mm können die Eingangsöffnung für die Brennerkapillare, mindestens eine Zündelektrode sowie Ausgangskanäle freigeschnitten sowie ein rechteckiger Freischnitt für die Mikrobrennkammer vorhanden sein.

Das Zentralplättchen kann beidseitig durch ein zweites Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d=0,5mm bedeckt sein, wobei die Mikrobrennkanmer jeweils durch ein drittes Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d=0,5ππn oben und unten abgedeckt ist, so dass sich eine Brennkammerweite von 2mm und ein Volumen von ca. 80 μl ergibt, wobei in dem dritten Plättchen Wärmeübertragerkanäle eingearbeitet sind, die jeweils durch ein viertes Plättchen mit einer Stärke von vorzugsweise d=0,5mm abgedeckt sind, wobei eine in dem vierten Plättchen eingebrachte zentrale quadratische Aussparung eine zu starke lokale thermische Belastung der planaren kontaktierenden Ther- mosäulen verhindert.

Zusätzlich können in den Plättchen Kanäle für ortsabhängige Temperaturmessungen eingearbeitet sein.

An den Außenkanten des Kalorimeterkörpers können Kavitäten, die laterale Wärmeflüsse und -Verluste minimieren, eingearbei- tet sein.

Zur Berechnung des Brennwertes kann ein Feuchtesensor, der wahlweise innerhalb oder außerhalb der Mikrobrennkammer angeordnet sein, um die Feuchte der verbrannten Abgase zu messen, vorgesehen sein.

Das Brennwertmessgerät kann mit all seinen Peripherieeinheiten, wie Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie der erfindungsgemäßen kalori- metrischen Detektionseinheit kompakt in einem 19"-Behälter

kompakt integriert und. somit als portables Gerät ausgebildet sein.

In der Detektionseinheit kann ein Mikrobrenner eingesetzt sein, dem folgende Elemente zugeordnet sind:

- der Mikrobrenner hat eine Brennerkapillare aus Keramik mit einem Innendurchmesser dj _. von kleiner als eine bestimmte zugehörige Löschungsstrecke, um einen Flammen- rückschlag zu verhindern, - als Material der Brennerkapillare ist Aluminiumoxid Al ₂ O ₃ wegen günstiger Wäπαeleitung und erforderlicher elektrischer Isolation vorgesehen,

- als Mikrobrennkammer ist ein Reaktionsraum größer als 2mm zur Vermeidung von Löschungseffekten vorgegeben, - dabei ist eine elektrische Kapillarenheizung zur Kompensation axialer Wärmeleistungsverluste vorgesehen und

- zur Minimierung der axialen Wärmeableitung ist eine hinreichend große Kapillarlänge 1 der Brennerkapillare vorgegeben.

Die aus Al ₂ θ ₃ -Keramik bestehende Brennerkapillare kann vorzugsweise folgende Abmessungen: einen Innendurchmesser d _± = 0,2mm, einen Außendurchmesser d _a = 0,5mm und eine Länge l=22mm haben.

Die Brennerkapillare kann auf der Seite des Gasaustritts mit einer radial gerichteten und bipolar gewickelten äußeren Platindrahtwicklung versehen sein.

Die Brennerkapillare kann wahlweise auf der Seite des Gasaus- tritts insbesondere für Brenngase mit geringerem Brennwert ei-

ne mit axialer im Inneren der Brennerkapillare angeordneter Heizungswicklung aufweisen.

Die Heizungswicklungen können vorzugsweise mit Keramikkleber an der keramischen Brennerkapillare fixiert und vorzugsweise mit Golddraht kontaktiert sein.

Zur Funkenzündung können sich wahlweise gegenüber der Brenner- kapillare Zündelektroden befinden, die mit einem piezoelektri- sehen Zündgenerator bedienbar in Verbindung stehen.

Für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen kann eine Gaszuführungsleitung in die Mikrobrennkammer zur Einleitung eines Hilfsluftstromes vorgesehen sein.

Die Erfindung weist gegenüber den Detektionseinheiten bzw. Kalorimetern nach dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:

- eine absolute, von der Gasart unabhängige Kalibrierung ist möglich, - die Messbarkeit von Gasen mit extrem kleinem Brennwert ist möglich,

- die Messung des Brennwertes ist auch mit nur sehr kleinen Brenngasmengen möglich, wobei die Mengen kleiner als 4ml/min sein können. - das erfindungsgemäße kalorimetrische Detektionseinheit kann mit weiteren zugehörigen und angeschlossenen Einheiten als portables Messgerät ausgeführt und deshalb auch für den Feldeinsatz einsetzbar sein.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen kalorimetrischen Detektionseinheit im Längsschnitt,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Kalorimeterkörpers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung der Heizung der Brennerkapillare, wobei in Fig. 3a die Brennerkapillare mit einer Außenheizung,

Fig. 3b die Brennerkapillare mit einer Innen- und Außenheizung versehen sind,

Fig. 4 Al ₂ O ₃ -Plättchen mit Temperaturmessstellen, wobei Fig. 4a ein erstes Plättchen im zentralen Bereich der

Brennkammer,

Fig. 4b ein zweites Plättchen,

Fig. 4c ein drittes Plättchen und

Fig. 4d ein viertes Plättchen in Draufsicht darstel- len,

Fig. 5 Heizleistungs-Temperatur-Charakteristik der Kapillarheizung für unterschiedlich lange Heizzonen,

Fig. 6 Gasstrom-Arbeitsbereiche für das Zünden (A) und die Flammenstabilität (B) in Abhängigkeit von der Kapillartemperatur.

Fig. 7 Kalorimetersignal für stöchiometrische Verbrennung mit

Fig. 7a einem Methangasstrom v _CH4 = 3,14 ml min ^'1 und

Fig. 7a einem Hilfsluftstron V _HF = 75 ml min ^"1 ,

Fig. 8 Abhängigkeit, des stationären Signals vom Methanstrom bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Hilfsluft- Stroms V _1n . = 75 ml min ^"1 (Anstieg 52,6 mV min ml ^"1 entspricht S _CH 4 = 0 ,0975 VW ^"1 ) ,

Fig. 9 Abhängigkeit des stationären Signals von der elektrischen Heizleistung (Anstieg S ₆ I= 0,0949 VW ^"1 ),

Fig. 10 Abklingkurven zur Ermittlung der Zeitkonstanten, wobei

Fig. 10a: für eine Methanverbrennung τ = 29.3 s, Fig. 10b: für eine elektrische Heizung τ = 29.1 s gelten,

Fig. 11 Temperaturverteilung im Kalorimeterkörper für die Methangasverbrennung (A) in Fig. IIa und für die elektrische Heizung (B) in Fig. IIb.

Die Fig.l enthält in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Brennwertmessgerät, das versehen ist mit einer Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit (nicht eingezeichnet) sowie mit einer kalo- rimetrische Detektionseinheit 1, die von innen nach außen gerichtet bauelmenteanordnungsbezogen sandwichartig und weitgehend symmetrisch ausgebildet ist und folgende Baugruppen aufweist: einen planaren Kalorimeterkörper 2 mit integrierter Mikro- brennkammer 3 und einem darin eingebrachten Mikrobrenner 4,

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wobei die Mikrobrennkammer 3 von einem Keramikplättchenblock 5 umgeben ist, zu beiden planaren Seiten des Kalorimeterkörpers 2 den Kalorimeterkörper 2 einfassende Thermosäulen-Anordnungen 6,7, - zu beiden planaren Seiten der Thermosäulen-Anordnungen 6,7 kontaktierend umgebenden Thermostatschalen 12,13, in denen sich der sandwichartig aufgebaute Kalorimeterkörper 2 befindet.

Der Kalorimeterkörper 2 besteht, wie in Fig.l und auch in Fig. 2 (vergrößert) gezeigt ist, aus einem Al ₂ 0 ₃ -Plättchenblock (engl, waferstack) 5, der die Brennkammer 3 sowie Wärmeübertrager für das abströmende Gas enthält. Zusätzlich sind Ka- vitäten zur Steuerung der Wärmeströme im Kalorimeterkörper 2 angeordnet. Die so gebildete Sandwichstruktur befindet sich zwischen den beiden temperaturgeregelten und nach außen thermisch isolierten Thermostatschalen 12 , 13 - Aluminiumschalen - , die als konstant thermostatisierte Wärmesenke für die Wärmeflussmessung dienen. Den Thermostatschalen 12,13 können rand- seitig eingebrachte Temperaturmessstellen 33,34 zugeordnet sein. Die beiden Thermostatschalen 12,13 sind durch mindestens eine Verschraubung 32 miteinander fest verbunden, in denen sich der Kalorimeterkörper 2 fest gehaltert befindet. Durch eine Thermostatschalen 12 und/oder 13 hindurch kann eine Gas- Zuführung (nicht eingezeichnet) und ein Gasableitungsrohr 35 aus dem Zwischenraum 36 nach außerhalb geführt sein.

Der Al ₂ 0 ₃ -Plättchenblock 5 in Fig.l und Fig.2 besteht aus sieben Plättchen (engl, wafer) , wobei jeweils drei Plättchen 15,16,17 und 15' ,16' ,17' symmetrisch zum ersten Plättchen 14 -

dem Zentralplättchen - in der angegebenen Reihenfolge benachbart und übereinander und kontaktierend angeordnet sind.

Wie in den Fig.3: Fig.3a.Fig.3b,Fig.3c und Fig.3d gezeigt, sind in dem ersten Plättchen 14 - dem Zentralplättchen - mit einer Stärke von d=l,0mm die Eingangsöffnung 24 für die Brennerkapillare 4 , die Zündelektroden (nicht eingezeichnet) sowie die Ausgangskanäle 24,25 freigeschnitten sowie ein rechteckiger Freischnitt für die Mikrobrennkammer 3 vorhanden. Das Zentralplättchen 14 ist beidseitig durch ein zweites Plättchen 15,15' mit einer Stärke von d=0,5mm bedeckt. Die Mikrobrennkammer 3 ist jeweils durch ein drittes Plättchen 16,16' mit einer Stärke von d=0,5mm oben und unten abgedeckt, so dass sich eine Brennkammerweite von 2mm und ein Volumen von ca. 80 ul ergibt. In dem dritten Plättchen 16,16' sind die Wärmeübertragerkanäle 27,28 eingearbeitet, die jeweils durch ein viertes Plättchen 17,17' mit einer Stärke von d=0,5mm abgedeckt sind. Die zentrale quadratische Aussparung 8 in dem vierten Plättchen 17,17' verhindert eine zu starke lokale thermische Belastung der Thermosäulen 6,7. Zusätzlich sind in den Plättchen 14 bis 17 uns 14' bis 17' Kanäle 29,30,31 für ortsabhängige Temperaturmessungen an den Temperaturmessstellen 20,21,22,23 eingearbeitet. Weiter sind an den Außenkanten Kavitäten 9,10,11, die laterale Wärmeflüsse und -Verluste minimieren, eingearbeitet.

Um die Berechnung des Brennwertes zu ermöglichen, wird die Feuchte der verbrannten Abgase mittels eines Feuchtesensors (nicht eingezeichnet) , der innerhalb oder außerhalb der Mikro- brennkammer 3 angeordnet sein kann, gemessen.

Das Kalorimeter kann mit all seinen Peripherieeinheiten, wie Gaszuführung, Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, einer Datenspeichereinheit sowie der erfindungsgemäßen kalorimetrischen Detektionseinheit 1 kompakt in einem 19"-Behälter kom- pakt integriert und somit als portables Gerät ausgebildet sein.

In der Detektionseinheit 1 ist ein Mikrobrenner 18 eingesetzt, dem folgende Elemente zugeordnet sind: - Der Mikrobrenner 18 hat, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, eine Brennerkapillare 4 aus Keramik mit einem Innendurchmesser d _± von kleiner als die Löschungsstrecke (engl . quenching distance) dq (Lit. dq * 0,3mm für CH ₄ /O ₂ ) versehen, um einen Flammenrückschlag zu verhindern. - Als Material wird deshalb Aluminiumoxid Al ₂ O ₃ wegen günstiger Wärmeleitung und erforderlicher elektrischer Isolation gewählt.

- Als Brennkammer 3 ist ein Reaktionsraum größer als 2mm zur Vermeidung von Löschungseffekten vorgegeben. - Dabei ist eine elektrische Kapillarenheizung 19 zur Kompensation axialer Wärmeleistungsverluste vorgesehen,

- Zur Minimierung der axialen Wärmeableitung ist eine hinreichend große Kapillarlänge 1 der Brennerkapillare 4 vorgegeben.

Die aus Al ₂ θ ₃ -Keramik bestehende Brennerkapillare 4 hat, wie in den Fig.1,2 und 4 gezeigt ist, die Abmessungen: Innendurchmesser d _± = 0,2mm, Außendurchmesser dU= 0,5mm und Länge l=22mm. Zwei Ausführungen von Brennerkapillaren 41,42, mit unter- schiedlich applizierter elektrischer Heizung 191,192 auf der Seite des Gasaustritts stehen wahlweise zur Verfügung, wie in

Fig.4 gezeigt ist. In Fig.4a ist die Brennerkapillare 41 mit radial gerichteter und bipolar gewickelter äußerer Platindrahtwicklung 191 versehen. In Fig.4b ist insbesondere für Brenngase mit geringerem Brennwert eine mit axialer im Inneren der Brennerkapillare 4 angeordneter Heizungswicklung 192 vorhanden. Die Heizungswicklungen 191,192 können z.B. mit Keramikkleber an der keramischen Brennerkapillare 4 fixiert und mit Golddraht kontaktiert sein.

Zur Bestimmung der mittleren Temperatur des beheizten Kapillarbereiches wird der Widerstand des Platindrahtes in einer Vierleiterschaltung gemessen. Die Temperaturkalibrierung erfolgt extern in einem temperaturgeregelten Ofen. Die dabei ermittelte Heizleistungs-Temperatur-Charakteristik ist in Fig.5 dargestellt. Mittels der Charakteristiken kann ein Vergleich zwischen den Abhängigkeiten für zwei unterschiedlich lange Heizzonen durchgeführt werden. Wegen der zunehmenden Strahlungsanteile ist der Temperaturverlauf nicht linear. Die räumlich stärker konzentrierte Heizung führt bei vergleichbarer Heizleistung zu höheren Temperaturen. Die Temperaturen wurden bei strömendem Brenngas bis zur Selbstzündung gemessen (V _CH 4 = 3,14 ml min-1 und v _O2 = 6,3ml min-1) .

In der Detektionseinheit 1 wird das folgende Verfahren reali- siert, das folgende Schritte aufweist:

- Einleitung eines Brenngas-Luft/Sauerstoff-Gemischs durch eine dünne Brennerkapillare 4 in die miniaturisierte Mikro- brennkammer 3,

- Auslösung des Brennvorgangs durch Funkenzündung oder durch Selbstzündung und Erzeugung einer Wärmeleistung,

- Einstellung der für die Selbstzündung erforderlichen Temperatur durch eine in bzw. auf der Brennerkapillare 4 angebrachte elektrische Heizung 19,191,192,

- Leitung der bei der Verbrennung generierten Wärmeleistung zur Messung über Thermosäulen 6,7 in eine temperaturgeregelte Wärmesenke 12 , 13 und

- Ermittlung des Brennwertes des Brenngases aus der gemessenen Wärmeleistung.

Von besonderem Interesse ist der Einfluss der Kapillartemperatur auf das Zündverhalten und die Flammenstabilität. Dazu werden in Abhängigkeit von der Kapillartemperatur die oberen und unteren Grenzen für einen stöchiometrischen Methan-Sauerstoff- Brenngasstrom bestimmt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Das Behei- zen der Brennerkapillare 4 führt sowohl zu verbesserter Zündfähigkeit als auch zu seiner Stabilisierung bei niedrigen Brenngasströmen. Weniger ausgeprägt ist der Einfluss auf die obere Grenze des Brenngasstromes . Für die Anwendung ist es sehr wesentlich, dass die erforderlichen elektrischen Heiz- leistungen im Bereich der Verbrennungswärmeleistung liegen, so dass auch eine Offset-Heizung z.B. bei schwer brennbaren Gasgemischen möglich ist. Die Kapillarenheizungen 19,191,192 können zusätzlich für eine kalorimetrische Kalibrierung verwendet werden.

Für eine Funkenzündung können sich gegenüber der Brennerkapillare 4 Zündelektroden (nicht eingezeichnet) befinden, die mittels eines piezoelektrischen Zündgenerators bedient werden können. Bei entsprechender Brenngasgemischqualität ist eine durch die Kapillarheizungen 19,191,192 generierte Selbstzündung möglich.

Für ein sicheres Zünden und der Verhinderung von Verpuffungen ist ein Hilfsluftstrom in die Mikrobrennkammer 3 erforderlich.

Für den Betrieb der Detektionseinheit 1 ist ein Hilfsluftstrom vorgesehen. Der Hilfsluftstrom ist sowohl für das ungestörte Zünden, insbesondere zur Verhinderung von Verpuffungen, aber auch für die Stabilität der Flamme erforderlich. Um ein Verpuffen beim Zünden zu verhindern, muss ein Hilfsluftstrom von 70ml min ^'1 eingestellt werden. Die Flamme wird gelöscht bei einem Hilfsluftstrom von < 35ml min ^'1 . Der Einfluss des Hilfs- luftstromes auf das Signal beträgt ca. 0,006% (ml mim ^"1 ) ^"1 .

In Fig.7 ist ein typischer Signalverlauf für das kontinuierli- che Verbrennen eines stöchiometrisehen Methan-Sauerstoff- Gemische bei konstantem Gasstrom dargestellt. Das Signalrauschen beträgt ca. 3OuV entsprechend 0,02% des mittleren stationären Signalwertes . Die Signaldrift von 70OuV wahrend der ersten 20min nach Zündung wird wahrscheinlich durch Tempera- turausgleichsvorgänge bedingt, die durch eine Unsymmetrie im Thermostaten 12,13 hervorgerufen werden. Für eine verbesserte Geräteversion wird deshalb eine symmetrische Temperaturregelung der Wärmesenke vorgesehen. Die in Tab. 1 zusammengestellten und bei gleichem Gasstrom gemessenen stationären Signal- werte weisen eine Reproduzierbarkeit von 0,2% aus. Das Rauschen bei Signalgenerierung durch elektrisches Heizen beträgt nur 6,7μV. Die Reproduzierbarkeit gemäß Tab.2 beträgt ebenfalls 0,2%.

Tab. 1 zeigt die stationären Signalwerte für Verbrennung mit Strömungsgeschwindigkeiten von v _CH4 = 3,14 ml min ^"1 für den Me-

thangasstrom und V _HF = 75 ml min ^" für den Hilfsluftstrom (engl, help flow - HF) . Tabelle 1:

Die Tabelle 2 zeigt die stationären Signalwerte für elektrische Heizung mit p _βi = 1.874 W. Tabelle 2:

Die Linearität der Signale ist sowohl bei Verbrennung als auch bei stationärer Heizung besser als 0,1%, wie in Fig.8 und Fig.9 gezeigt ist. Wegen der kleineren Streuung der elektrisch generierten Signale ist bei den Signalen eine systematische Abweichung vom linearen Verlauf erkennbar. Aus den Anstiegen ergeben sich Empfindlichkeiten von S _CH4 = 0,0975 VW ^"1 und S ₀₁ = 0,0949 VW ^"1 für die Verbrennung bzw. elektrische Heizung.

Das dynamische Verhalten der Detektionseinheit 1 kann mit guter Genauigkeit nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung beschrieben

werden, wie in Fig.10: Fig.10a, Fig.10b gezeigt ist. Die Zeit- konstanten für Verbrennung (A) und elektrische Heizung (B) stimmen nahezu überein (τ _C iu = 29,3 s bzw. τ _θ i = 29,1 s) , was auf ähnliche Wärmeübertragungsverhältnisse in beiden Fällen hinweist.

Dass es doch geringe Unterschiede in der Temperaturverteilung im Kalorimeterkörper je nach Art der Wärmeleistungsgenerierung gibt, zeigen die Fig.11: Fig. IIa, Fig. IIb. Der Temperaturan- stieg bei beiden Temperaturmessestellen 21,21' ist in beiden Fällen am größten. In der Umkehrung der Reihenfolge der Temperaturmessstellen 23,20 und 22 macht sich die unterschiedliche laterale Position der Wärmeleistungsquellen bemerkbar.

Die Anwendung der miniaturisierten Detektionseinheit 1 wird sich auch auf Gase mit extrem kleinem Brennwert beziehen. Durch die Integration mindestens eines Feuchtesensors kann eine Berechnung des Brennwertes durchgeführt werden.

Die Erfindung eröffnet folgende Möglichkeiten:

1. Die miniaturisierte Detektionseinheit 1 ermöglicht die Messung des Brennwertes des Brenngases beim Verbraucher und kann zu einer gerechteren Abrechnung führen.

2. Es kann eine präzise überprüfung von zahlreichen Prozes- sen, z.B. in der Keramikindustrie, bezüglich einer gleich bleibenden Wärmeversorgung durchgeführt werden.

3. Die Kosten eines derzeit marktgängigen Brennwertmessgerätes liegen wesentlich über den Kosten des Brennwertmessgerätes mit der erfindungsgemäßen Detektionseinheit. Durch ein preiswertes Brennwertmessgerät können auch lokale Ver-

sorger in die Lage versetzt werden, stark schwankende Gasqualitäten zu vermessen und zu beziehen.

4. Das Brennwertmessgerät mit der erfindungsgemäßen Detekti- onseinheit 1 hat den Vorteil , dass es über einen größeren Messbereich als herkömmliche Geräte, insbesondere moderne Prozessgaschromatographen, verfügt, wobei der Messbereich nur durch die Grenzen der Brennbarkeit des Gasgemisches gegeben ist. Der große Messbereich ist wiederum bei stark schwankenden Gasqualitäten von großem Vorteil .

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Detektionseinheit 1 wird hauptsächlich gesehen

- bei der überprüfung der Brenngasqualität im gesamten Lebenszyklus von Brenngasen von der Förderung/Gewinnung über den Transport bis zur Verwendung und

- bei Brennwertbestimmungen für den Feldeinsatz .

Bezugszeichenliste

1 Detektionseinheit

2 Kalorimeterkörper

3 Mikrobreπnkaznmer 4 Brennerkapillare

5 Keramikscheibenblock

6 Erste Thermosäulenanordnung

7 Zweite Thermosäulenanordnung

8 Aussparung 9 Erste Kavität

10 Zweite Kavität

11 Dritte Kavität

12 Erstes Thermostatteil

13 Zweites Thermostatteil 14 Erste Scheibe

15 Zweite Scheibe

16 Dritte Scheibe

17 Vierte Scheibe

18 Mikrobrenner 19 Kapillarenheizung

191 Erste Kapillarenheizung

192 Zweite Kapillarenheizung

20 Erste Temperaturmessstelle

21 Zweite Temperaturmessstelle 21'Fünfte Temperaturmessstelle

22 Dritte Temperaturmessstelle

23 Vierte Temperaturmessstelle

24 Eingangsöffnung

25 Erster Abströmkanal 26 Zweiter Abströmkanal

27 Erster Wärmeübertragerausgang

Zweiter Wärmeübertragerausgang Erster Kanal Zweiter Kanal Dritter Kanal Verschraυbung Sechste Temperaturmessstelle Siebente Temperaturmessstelle Gasableitungsrohr Zwischenraum