Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat. Zum grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung gehören ein die Sonde enthaltendes Schutzrohr (3), das zum Gasraum des Apparates offen ist, und ein Kühlmantel (4). Das Schutzrohr (3) besteht erfindungsgemäß aus einem Kernrohr (7) sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr (4). Das Kernrohr (7) enthält die Sonde (1) und wird drallfrei von einem Fluid durchströmt, welches als Freistrahl in den Gasraum des Apparates eintritt. Der Strömungsringraum (9) zwischen dem Kernrohr (7) und dem Mantelrohr (4) weist einen Dralleinsatz (10) auf. Der Kühlmantel steht an der Stirnseite des Schutzrohres vor und ist von einem trichterförmigen Mündungsbereich (11) begrenzt. Aus dem Strömungsringraum (9) zwischen dem Kernrohr (7) und dem Mantelrohr (4) tritt eine Drallströmung des Fluids aus, die sich entlang des trichterförmigen Mündungsbereiches (11) ausbreitet und einen Kontakt klebefähiger Feststoffpartikel aus dem Gasraum des Apparates mit dem Kühlmantel im Mündungsbereich verhindert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat, der einen Gasraum mit feststoffbeladenen Gaswirbeln aufweist, - mit

einem die Sonde enthaltenden sowie zum Gasraum des Apparates offenen Schutzrohr und

einem von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel an der Außenseite des Schutzrohres,

wobei das Schutzrohr von einem feststofffreien Fluid durchströmt ist, welches als Freistrahl in den Gasraum des Apparates eintritt. Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Flammüberwachungseinrichtung für eine Kohlefeuerungsanlage handeln, die an der Apparatewand neben einem Kohlebrenner angeordnet ist. Andere Anwendungen sollen jedoch nicht ausgeschlossen sein.

[0002] Sonden, die zu Meß- oder Überwachungszwecken in thermisch hoch beanspruchten Apparaten eingesetzt werden, bedürfen regelmäßig einer Kühlung. Sie werden daher in eine Vorrichtung eingesetzt, die einen von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel aufweist. Bei Anwesenheit von schmelzflüssigen Partikeln im Gasraum des Apparates neigt die Vorrichtung zur Verkrustung, weil schmelzflüssige Partikel auf den gekühlten Flächen erstarren. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, um die einer Sonde zugeordnete Meßöffnung der Vorrichtung von Verkrustungen frei zu halten, indem die Sonde mittels kalter Inertgase um- oder angeströmt wird (vgl. Gaswärme International 45 (1996), Heft 4/5, Seiten 178 bis 188, insbesondere Fig. 3). An den Ausströmstellen der kalten Inertgase bilden sich jedoch Verkrustungen, die die Strömungsgeometrie so verändern, daß die Um- oder Anströmung der Sonde schon nach kurzer Zeit nicht mehr korrekt erfolgen kann.

[0003] Maßnahmen zur Vermeidung von Ablagerungen oder Verkrustungen sind beispielsweise aus DE 37 36 417 C2 und aus GB 22 28 070 A bekannt. Aus DE 37 36 417 C2 ist eine kombinierte Zünd- und Überwachungseinrichtung für Brenner bekannt, wobei innerhalb eines Hüllrohres ein Tubus angeordnet ist, an dessen oberen Ende sich ein Laser für eine Laserzündung befindet. Am unteren Ende des Tubus ist eine Sammellinse angeordnet. Ein zwischen Tubus und Hüllrohr befindlicher Zwischenraum wird mit Spülgas beaufschlagt. Das reaktionsraumseitige Ende des Hüllrohres ist als Düse mit einer Mündung so gestaltet, daß eine Verschmutzung der am unteren Ende des Tubus angeordneten Sammellinse ausgeschlossen ist. - Aus GB 22 28 070 A ist ein Ofen für die Verbrennung von pulversisierter Kohle bekannt. An der Rückseite des Ofens sind Luftdüsen angeordnet, so daß vor der Rückwand ein Luftvorhang aufbaubar ist, der die Rückwand unter anderem vor Ascheablagerungen schützt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiter auszubilden, daß sie ohne Gefahr einer Verkrustung durch Ablagerung schmelzflüssiger Partikel im Meßbereich der Sonde über einen langen Zeitraum betriebssicher arbeitet.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Schutzrohr aus einem Kernrohr sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr besteht und daß der Kühlmantel an der Stirnseite des Schutzrohres vorsteht sowie einen zum Gasraum trichterförmig sich erweiternden Mündungsbereich begrenzt, wobei das Kernrohr die Sonde enthält und drallfrei von dem Fluid durchströmbar ist und wobei aus dem Strömungsringraum zwischen dem Kernrohr und dem Mantelrohr eine Drallströmung des Fluids austritt, die sich entlang der sich trichterförmig erweiternden Stirnflläche des Mündungsbereiches ausbreitet und die einen Kontakt klebefähiger Feststoffpartikel aus dem Gasraum des Apparates mit dem Kühlmantel im Mündungsbereich verhindert. Als Fluid sind feststofffreie Inertgase, z.B. Stickstoff, oder Dampf einsetzbar. Der aus dem Strömungsringraum austretende verdrallte Gas- oder Dampfstrom bewegt sich mit hoher Strömungsenergie entlang der sich trichterförmig erweiternden Stirnfläche der Vorrichtung und verhindert einen Kontakt von klebefähigen Partikeln aus dem Gasraum mit dem gekühlten Mündungsbereich der Vorrichtung. Strömungsberechnungen zeigen, daß keine störenden Gaswirbel aus dem Gasraum des Apparates die Stirnfläche der Vorrichtung erreichen. Bei ausreichender kinetischer Energie des Fluids ist gewährleistet, daß in Gaswirbeln mitgeführte Feststoffpartikel den wandnahen Gasfilm des Fluids nicht durchdringen können.

[0006] Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erstreckt sich der trichterförmige Mündungsbereich bis zum Außenumfang des Kühlmantels, wobei der Übergang zwischen dem Mündungsbereich und der umfangsseitigen Begrenzung des Kühlmantels zweckmäßig als scharfkantiger Rand ausgebildet ist. Der scharfkantige Rand trägt dazu bei, daß von dem randseitigen Umfang ausgehend keine Ablagerungen in den Mündungsbereich hineinwachsen können. Über einen langen Betriebszeitraum bleibt eine staupunktfreie Strömung des Fluids im Mündungsbereich der Vorrichtung sichergestellt.

[0007] In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß der Kühlmantel einen von dem Schutzrohr und einem konzentrischen Außenrohr begrenzten Ringraum aufweist und in dem Ringraum ein Leitrohr angeordnet ist, welches das Kühlmedium an den Wänden des Kühlmantels entlang führt.

[0008] Zur Drallerzeugung kann in den Strömungsringraum zwischen dem Kernrohr und dem Mantelrohr ein Dralleinsatz, vorzugsweise in Form eines eingängigen Impellers eingebaut sein. Die Drallerzeugung kann aber auch durch eine geeignete Strömungszuführung zum Strömungsringraum erfolgen. Der Strömungsringraum weist bei dieser Ausführung mindestens eine tangential anschließende Fluidzuführung auf, welche das Fluid in Drallrichtung in den Strömungsringraum leitet.

[0009] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1

zunächst den Längsschnitt durch eine nach dem Stand der Technik ausgebildete Vorrichtung,

Fig. 2

die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung, ebenfalls im Längsschnitt, und

Fig. 3

die durch Geschwindigkeitsvektoren deutlich gemachte Gasströmung im Mündungsbereich der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung.

[0010] Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen dienen der Aufnahme einer Sonde 1 in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat, der einen Gasraum 2 mit feststoffbeladenen Gaswirbeln aufweist. Bei der Sonde 1 mag es sich um einen Flammenwächter für eine Kohlefeuerungsanlage handeln.

[0011] Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen weisen ein zum Gasraum 2 des Apparates offenes Schutzrohr 3 sowie einen von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel 4 an der Außenseite des Schutzrohres 3 auf. Die Sonde 1 ist in das Schutzrohr 3 eingesetzt, welches von einem feststofffreien Fluid, z.B. Stickstoff oder Dampf, durchströmt ist. Das Fluid tritt als Freistrahl in den Gasraum 2 des Apparates ein. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Vorrichtung verursachen heiße, feststoffbeladene Gaswirbel 5 aus dem Gasraum 2 des Apparates Anbackungen 6 an der Stirnfläche der Vorrichtung, die in Richtung auf die Meßöffnung der Vorrichtung wachsen. Dabei bilden sich rüsselförmige Anwachsungen, die in den Signaleinfallsbereich der Sonde 1 hineinragen und bei entsprechendem Wachstum schließlich den Signaleinfall gänzlich verhindern.

[0012] Bei der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausbildung der Vorrichtung besteht das Schutzrohr 3 aus einem Kernrohr 7 sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr 8. Die Sonde 1 ist innerhalb des Kernrohres 7 angeordnet. Der Strömungsringraum 9 zwischen dem Kernrohr 7 und dem Mantelrohr 8 weist einen Dralleinsatz 10, z.B. in Form eines eingängigen Impellers, auf. An der Stirnseite des Schutzrohres 3 steht der Kühlmantel 4 vor, wobei der vorstehende Abschnitt mit einem zum Gasraum 2 trichterförmig sich erweiternden Mündungsbereich 11 ausgebildet ist. Das Kernrohr 7 wird von einem Fluid, z.B. einem Stickstoffstrom oder Dampfstrom, axial und drallfrei durchströmt. Auch der Strömungsringraum 9 wird mit Fluid beaufschlagt. Das Fluid tritt hier als Drallströmung aus, die sich als wandnahe Strömung entlang des trichterförmigen Mündungsbereiches 11 ausbreitet und einen Kontakt klebefähiger Feststoffpartikel aus dem Gasraum 2 des Apparates mit dem Kühlmantel 4 im Mündungsbereich 11 verhindert. Der Fig. 3 entnimmt man, daß die aus dem Strömungsringraum 9 austretende Drallströmung an der Kühlmanteloberfläche im Mündungsbereich 11 einen schützenden Gasfilm bildet und keine störenden Gaswirbel aus dem Gasraum 2 des Apparates die Stirnfläche der Vorrichtung erreichen. Rückwirbel halten einen ausreichenden Abstand von der Oberfläche der Vorrichtung ein. Schmelzflüssige Partikel können den schützenden Gasfilm nicht durchdringen, da die aus dem Fluid gebildete Drallströmung eine wesentlich höhere Energie besitzt als die feststoffbeladenen Gaswirbel im Gasraum 2.

[0013] Der Fig. 2 entnimmt man auch, daß der trichterförmige Mündungsbereich 11 sich bis zum Außenumfang des Kühlmantels 4 erstreckt, wobei der Übergang zwischen dem Mündungsbereich 11 und der umfangsseitigen Begrenzung des Kühlmantels 4 als scharfkantiger Rand 12 ausgebildet ist. Der Kühlmantel 4 weist einen von dem Schutzrohr 3 und einem konzentrischen Außenrohr 13 begrenzten Ringraum auf. In dem Ringraum ist ein Leitrohr 14 angeordnet, welches das Kühlmedium an den Wänden des Kühlmantels 4 entlang führt. Anbackungen 6 von klebefähigen Partikeln aus dem Gasraum 2 des Apparates bleiben auf den Bereich des Außenrohres 13 beschränkt.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Aufnahme einer Sonde in einem thermisch hoch beanspruchten Apparat, der einen Gasraum mit feststoffbeladenen Gaswirbeln aufweist, - mit

einem die Sonde (1) enthaltenden sowie zum Gasraum (2) des Apparates offenen Schutzrohr (3) und

einem von Kühlmedium durchströmten Kühlmantel (4) an der Außenseite des Schutzrohres (3),

wobei das Schutzrohr (3) von einem Fluid durchströmt ist, welches als Freistrahl in den Gasraum (2) des Apparates eintritt, dadurch gekennzeichnet,

daß das Schutzrohr (3) aus einem Kernrohr (7) sowie einem konzentrisch zu diesem angeordneten Mantelrohr (8) besteht und

daß der Kühlmantel (4) an der Stirnseite des Schutzrohres (3) vorsteht sowie einen zum Gasraum (2) trichterförmig sich erweiternden Mündungsbereich (11) begrenzt,

wobei das Kernrohr (7) die Sonde (1) enthält und drallfrei von dem Fluid durchströmbar ist und wobei aus dem Strömungsringraum (9) zwischen dem Kernrohr (7) und dem Mantelrohr (8) eine Drallströmung des Fluids austritt, die sich entlang der sich trichterförmig erweiternden Stirnfläche des Mündungsbereiches (11) ausbreitet und die einen Kontakt klebefähiger Feststoffpartikel aus dem Gasraum (2) des Apparates mit dem Kühlmantel (4) im Mündungsbereich (11) verhindert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmige Mündungsbereich (11) sich bis zum Außenumfang des Kühlmantels (4) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem Mündungsbereich (11) und der umfangsseitigen Begrenzung des Kühlmantels (4) als scharfkantiger Rand (12) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (4) einen von dem Schutzrohr (3) und einem konzentrischen Außenrohr (23) begrenzten Ringraum aufweist und in dem Ringraum ein Leitrohr (14) angeordnet ist, welches das Kühlmedium an den Wänden des Kühlmantels (4) entlang führt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsringraum (9) zwischen dem Kernrohr (7) und dem Mantelrohr (8) einen Dralleinsatz (10) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dralleinsatz (10) aus einem vorzugsweise eingängigen Impeller besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsringraum (9) mindestens eine tangential anschließende Fluidzuführung aufweist, welche das Fluid in Drallrichtung in den Strömungsringraum (7) leitet.

Zeichnung