DE1773025A1

DE1773025A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Koerpers durch Strahlungsmessung

Info

Publication number: DE1773025A1
Application number: DE19681773025
Authority: DE
Inventors: Ward F O'connor
Original assignee: Lummus Co
Current assignee: Lummus Technology LLC
Priority date: 1967-03-24
Filing date: 1968-03-22
Publication date: 1971-09-16
Also published as: GB1177444A; US3467175A

Description

ΪΗΕ LUMI.IU3 COKPAMX
1515 Broad Street, Bloomfield, liev/ Jersey O7OO3 (V.St.A.)

Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Körpers
durch Strahlungamessung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Körpers in einer strahlenden Umgebung mit einer Anordnung zur Messung der Strahlungsabk'abe von dem Körper. Die Vorrichtung ^emäß der Erfindung
weist in K'oiabination eine otrahlungsmesseinrichtung, z.3.
ein Pyrometer, und eine Einrichtung zur Fernhaltung von
Strahlung aus der Umgebung auf.

Die Schaffung geeigneter Einrichtungen zur Tempera turbeStimmung von Körpern oder Medien ist mit fortschreitender Technik auf zuneauernle Schwierigkeiten gestoßen. Die Entwicklung von Hochteraperaturlegierungen und Verbrennungsoder Hochteiriperaturverfanren hat die Anwendung erhöhter Betriebstemperataren ermöglicht; dabei haben sich herkömmliche Temperaturmesseinrichtungen für viele Zwecke häufig als un-

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genügend erwiesen.

Zu den zahlreichen bekannten und in Anwendung befindlichen Einrichtungen gehören insbesondere Thermoelemente und Pyrometer. Thermoelemente werden gewöhnlich in der Betriebsanlage in vorspringenden Rohren oder Hülsen angeordnet, die so angebracht sind, daß sie in das Medium, dessen Temperatur gemessen werden soll, reichen. Pyrometer sind insbesondere dort angewendet worden, wo eine Betrachtung eines Verbrennung3vorgangs o.dgl. durch ein Sichtloch möglich ist, z.B. in öfen.

Sowohl Thermoelemente als auch Pyrometer haben sich in vielen Umgebungen, in denen sie eingesetzt worden sind, als unbefriedigend erwiesen, ϊ/enn beispielsweise Thermoelemente in öfen oder anderen Einrichtungen angebracht werden, in denen sowohl chemisch als auch thermisch aggressive oder ungünstige Umgebungsbedingungen vorliegen, nüssen die Rohre oder Hülsen, in denen sie angebracht werden, aus einem Material bestehen, das dem Angriff durch die Uogebungsgase widerstehen und die Umgebungstemperaturen aushalten kann. Weiterhin muß sich das Thermoelement hinreichend weit in die zu messende Umgebung erstrecken, um fehlerhafte Messungen durch Wärmeleitung längs der Hülse von oder zu der Wand, an der sie angebracht ist, zu vermeiden. Ferner hat sich oft gezeigt, daß Thermoelemente selbst bei günstiger Anbringung häufig einer thermoelektrischen Entartung (thermoelectric decay) unterliegen, die mit fortschreitender Zeit zu zunehmend fehlerhaften Messungen führt.

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Für die Temperaturmessung strömender Medien sind. Thermoelemente in Hülsen angebracht worden, die sich in den Fließweg des durch ein Rohr oder eine Leitung strömenden Liediums erstrecken. Diese Methode hat offensichtlich den v;esentlichen ITachteil einer Störung und Beschränkung des Fl u L-se a in dem Rohr oder der Leitung und bringt Erosionsprobleme hinsiciitlich der Schutzhülse mit sich.

Pyrometer vermeiden zwar die spezifischen Schwierigkeiten, die auf die Einwirkung aggressiver Uagebungsbedingungen zurückzuführen sind, da sie außerhalb der eigentlichen Reaktionskammer angeordnet werden, ihre Anwendbarkeit war jedoch bisher recht beschränkt. Infolge ihrer gewöhnlich außen erfolgenden Anbringung konnten sie keine wesentliche Bedeutung für eine genaue Temperaturmessung von innen angeordneten Körpern oder von innerhalb innen angeordneter Körper befindlichen Medien erlangen, da sie nicht in der Lage sind, zwischen Strahlung aus der Umgebung und der Strahlung des zu messenden Körpers zu unterscheiden.

Als Beispiele für Vorrichtungen, bei denen sich die Temperaturmessung bisher als äußerst schwierig erwiesen hat, seien bei hoher Temperatur betriebene Wärmeaustauscher, öfen oder Erhitzer genannt, insbesondere die mit kurzer Verweilzeit arbeitenden Wärmeaustauscher, öfen oder Erhitzer, in denen die Temperaturen im Bereich, von und über etwa 533°C (1000⁰F) liegen. Es ist sehr häufig erwünscht, die Temperatur von Reaktionsteilnehmern, die durch die Verfahrensrohre eines derartigen Wärmeaustauschers, Ofens oder Erhitzers

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strömen, zu bestimmen, da die gemessenen V/erte zur Steuerung und Überwachung des Verfahrens oder für Zwecke wie die Auslösung von Sicherheitsalarmanlagen o.dgl. ausgenutzt werden können. Da sich jedoch die von den Reaktionsteilnehmern durchflossenen Rohre in dem Mantel oder Gehäuse des Wärmeaustauschers, Ofens oder Erhitzers befinden, ist ein Thermoelement aus den vorstehend erläuterten Gründen gewöhnlich unbrauchbar. Auch die bekannten Ausführungen von Pyrometern sind gewöhnlich wenig geeignet, bereits wegen der Schwierigkeit der Gewährleistung einer zufriedenstellenden ungehinderten und unversperrten Blicklinie auf das Verfahrensrohr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Temperaturmessung zu schaffen, die nicht die vorstehend erläuterten und ähnliche Nachteile der bekannten Einrichtungen aufweist, insbesondere auch bei derartigen Wärmeaustauschern, öfen oder Erhitzern zu einwandfreien Ergebnissen führt und durch strahlende Umgebung nicht fehlerhaft beeinflusst wird.

Hierzu ist gemäß der Erfindung eine Strahlungsmesseinrichtung in Sichtlinie mit aber entfernt von einem Körper, der die zu messende Strahlung aussendet, in Kombination mit einer Abschirmung, die den Blickweg zwischen dem Strahlung empfangenden Gerät und einer zugewandten Oberfläche des strahlenden Körpers umgibt, vorgesehen.

Weitere Merkmale und technische Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeich-

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nungen hervor. In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

2¹XgUr 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Betriebserhitzers, der mit Temperaturmessvorrichtungen gemäß der Erfindung ausgestattet ist.

]?igur 2 zeigt, teilweise im Schnitt, die in Figur 1 mit 11 bezeichnete Temperaturmessvorrichtung.

Figur 3 ist ein Schnitt durch die Ebene 3-3 der Figur 2.

Figur 4 zeigt, teilweise im Schnitt, die in Figur 1 mit 111 bezeichnete Temperaturmessvorrichtung.

Figur 5 ist ein Schnitt durch die Ebene 5-5 der Figur 4.

In der Figur 1 ist ein Betriebserhitzer 10 dargestellt, der Temperaturmessvorrichtungen 11 und 111 gemäß der Erfindung aufweist. Der Betriebserhitzer 10, anhand dessen die Erfindung nachstehend näher veranschaulicht wird, ist nach Art der bekannten Wasserdampfreformer ausgebildet, es ist jedoch ki_ar) daß die Temperaturmessvorrichtung gemäß der Erfindung in praktisch jeder Einrichtung und Umgebung Anwendung finden kann, wo thermische Bedingungen bestimmt werden sollen. Der Betriebserhitzer 10 ist von rechteckiger Form mit einer Deckwand 12, einer Bodenwand 14 und Seitenwänden 16 und 18, die zusammen eine mit" einem feuerfesten Belag versehene Heizkammer 20 begrenzen. In den Seitenwänden 16 und 18 sind über die Länge und Breite verteilt Brenner 22 und 24

angeordnet. Die Brenner 22 und 24 werden über Leitungen 26

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bzw. 28 mit Brennstoff versorgt, der Brennstofffluß wird durch geeignete Messverxtile (nicht dargestellt) gesteuert.

In der Lütte der Kammer 20 sind senkrecht verlaufende Verfahrensrohre 30 angeordnet, in gleichen Abständen von den Seitenwänden 16 und 18. Durch ein Einlaßrohr 32 wird ein Reaktionsteilnehmergemisch den Verfahrensrohren 30 zugeführt. Das Einlaßrohr 32 speist ein gemeinsames Verteilerrohr 34» das die Reaktionsteilnehmer auf sämtliche Rohre 30 verteilt. Nachdem die Reaktionsteilnehmer die Rohre J>0 passiert haben, v/erden sie durch ein Sammelrohr 38 abgezogen, das mit den Rohren 30 und einem Auslaßrohr 4-2 verbunden ist.

Gemäß Figur 1 sind erfindungsgemäß ausgebildete Temperaturmessvorrichtungen 11 und 111 angeordnet, um die Temperaturen der Reaktionsteilnehmer in dem Einlaßrohr 32, der Umsetzung in dem Verfahrensrohr 30 und der Reaktionspro dukte in dem Auslaßrohr 42 zu bestimmen. Es ist jedoch klar, daß dies nur ein Beispiel ist und so viele oder wenige Tempe raturme ssvorrichtungen angeordnet v/erden können, wie das im Einzelfall erwünscht oder zweckmäßig ist, ganz nach dem Ausmaß der Regelung oder der Menge an Informationen, die für die Betriebsdurchführung gewünscht werden.

Gemäß Pigur 2 umfasst die Temperaturmesavorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Umsetzung in einem derartigen Verfahrensrohr 30 der Heizkammer 20 des Betriebserhitzters 10 im wesentlichen ein "Gesamtstrahlungs^M-I⁾yrometer 52 und ein Strahlungsabscürmrohr 54. "Gesamtstrahlungspyrometer" sind jene, die bei der Temperaturmessung eine

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Stellung etwa entsprechend der von Eisen-Konstantan- oder ¹¹ Chromel-Alumel"-Thermoelementen einnehmen. Die einwandfreie Bestimmung von Temperaturen mit dieser Vorrichtung hängt von der Möglichkeit zur Aufnahme von Strahlung 62 von der Oberfläche eines Verfahrensrohrs 30 durch das Pyrometer 52 und der Fernhaltung aller anderen Strahlung, die den gemessenen Strahlungswert verfälschen könnte, ab. Hierzu ist das Strahlungsabsclirmrohr 54 vorgesehen, das aus isolierendem oder abschirmendem Material besteht und sich v/aagerecht von dem senkrechten Verfahrensrohr 30 bis zu einer öffnung 53 in der Seitenwand 18 erstreckt. Wie an besten aus der Figur hervorgeht, v/eist das Abschirmrohr 54 B.n seinem zu d«m Verfahrensrohr reichenden Ende eine solche Kontur auf, daß es an die äußere Oberfläche des Verfahrensrohrs 30 anpasst und eine sichere Anlage zwischen dem Abschirmrohr 54 und dem Verfahrensrohr 3C gewährleistet. An seinem zur Wand reichenden Ende liegt das Abschirmrohr 54- gegen die innere Oberfläche der Wand 18 an; bei'der bevorzugten Ausführungsform verläuft die Längsachse des Eohrs 54 rechtwinklig zur Wand 13 und koaxial zur Achse der öffnung 58.

Das Pyrometer 52 ist auf einer Befestigungsplatte 56 angebracht, die an der Außenfläche äer Seitenr/and 13 befestigt ist, z.B. durch Schweißen. In der Befestigungsplatte 56 sind Schraubenlöcher so angeordnet, daß bei Befestigung des Pyrometers 52 an der Platte 56 durch Schrauben 5? &ie Fokussierlinse 60 des Pyrometers 52 koaxial zur Längsachse des AbBchirmrohrs 54-> der öffnung 5?· in der Seitenwand 18

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und einer koaxialen öffnung in der Platte 56 liegt. Demgemäß ist die Strahlungsmesseinrichtung des Pyrometers durch die Platte 56, die Wand 13 und das Absclirmrohr 5^ direkt auf die Cberflache des Verfahrensrohrs 30 ausgerichtet. Die Strahlung 62, die von der innerhalb des Abschirmrohrs ^A gelegenen Oberfläche des Verfahrensrohrs 30 emittiert wird, geht also durch das Abschirmrohr 5^, die Wand 18 und die Fokussierlinse 60 in das Bolometer 64 des Pyrometers 52. Das Rohr 5^ verhindert einen Zutritt von Strahlung aus der Umgebung zu der Strahlung von dem Verfahrensrohr und stellt somit sicher, daß die von dem Pyrometer empfangene Strahlung eindeutig für die Temperatur der in dem Verfahrensrohr 30 ablaufenden Reaktion kennzeichnend ist.

In den Figuren 4 und 5 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Temperaturmessvorrichtung 111 am Beispiel der Temperaturbestimmung eines durch ein Rohr oder eine Leitung fließenden Mediums dargestellt. Diese Ausführungsform kann beispielsweise benutzt werden, um die Temperatur in der Einlaßleitung 32 oder der Auslaßleitung 42 des Betriebserhitzers gemäß Figur 1 zu bestimmen.

Das Pyrometer 152 weist einen Befestigungsflansch 156 auf, der mit Schraubenlöchern 157 und einer IJittelöffnung 159 j koaxial mit einer Fokussierlinse 160 zum Durchtritt der zu messenden Strahlung 162, versehen ist. Ein Gestell 135 zur Halterung des Pyrometers 152 am Rohr 32 umfasst paarförmige Rohrbügel 138» die starr an dem Rohr 32 angebracht sind, jedes Rohrbügelpaar ist an einem etwa rechteckigen Rahmen

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136 befestigt, etwa durch Schrauben 137· Jedes Rohrbügelpaar 138 umfasst einen oberen und einen unteren Bügel, jeder Bügel weist einen gekrümmten Abschnitt und parallel zueinander ausgerichtete flache Endabschnitte auf. Die Endabschnitte der oberen und der unteren Rohrbugel I38 sind hinreichend lang, um nach außen durch die Isolierung 134 &es Rohrs 32 zu reichen, und mit Löchern zum Durchtritt von Schrauben

137 versehen. Die gekrümmten Mittelabschnitte der oberen und unteren Rohrbugel stimmen mit der Krümmung der Außenfläche des Rohrs 32 überein und erstrecken sich über einen Bogen von weniger als 180°. Wenn dann die oberen und unteren Bügel der Ronrbügelpaare 138 auf dem Rohr 32 angeordnet werden, befinden sich ihre Endabschnitte in einem Abstand voneinander, so daß dazwischen ein Raum zur Aufnahme des Rahmens 136 bleibt. Jeder etwa rechteckige Rahmen 136 weist einen oberen Schenkel 14-1, zwei seitliche Schenkel 14-2 und 14-3 sowie nach innen vorspringende unteie Schenkel 144 und 145 auf. Die oberen Schenkel 141 sind mit Löchern 146 versehen, diese befinden sich in einem entsprechenden Abstand zur Deckung mit Löchern 157 in dem Pyrometerbefestigungsflansch 156, zum Durchtritt von Schrauben 158. Die einwärts vorspringenden unteren Schenkel 144- und 14-5 liegen zwischen den Endabschnitten der Rohrbügelpaare 138 und sind mit Löchern zum Durchtritt von Schrauben 137 versehen. Das Pyrometertraggestell 135 ist genügend starr ausgebildet, um ein nachteiliges Vibrieren zwischen dem Rohr 32 und dem Pyrometer 152 zu verhindern, und der Rahmen weist genügend Festigkeit auf, um

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sicherzustellen, daß nach dem Zusammenbau die Sichtachse des Pyrometers zu allen Zeiten durch die Mittellinie des Rohrs 32 geht. Sofern gewünscht, können anstelle der Bohrbügel 138 Flansche angeordnet werden, die direkt an dem Rohr befestigt sind, um daran den Rahmen 136 anzubringen.

Um den Eintritt von Strahlung aus der Umgebung in das Pyrometer zu vermeiden, ist ein Bohr 154 so angeordnet, daß es von der Oberfläche des Pyrometerbefestigungsflansches 156 bis zur äußeren Oberfläche des Rohrs 32 reicht. Das Abschirmrohr 154- hat an seinem an das Bohr 32 angrenzenden Ende eine solche Kontur, daß es dicht an der Oberfläche des Rohrs 32 anliegt, und zwar in einer Aussparung 133 in der Isolierung 134 des Rohrs 32. An seinem an das Pyrometer angrenzenden Ende liegt das Abschirmrohr 15^· dicht am Befestigungsflansch 156 an und ist in geeigneter Weise daran befestigt.

Wie aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, verläuft das Abschirmrohr 154· koaxial mit dem Loch 159 in dem Befestigungsflansch 156 und der Blicklinie dee Pyrometers 152. Weiterhin verläuft die Längsachse des Abschirmrohrs 154 durch die Längsmittellinie des Rohre 32· Demgemäß blickt die Strahlungsmeßeinrichtung des Pyrometers durch das Loch

159 und das Abschirmrohr 154 direkt auf die Oberfläche des Rohrs 32. Von der Oberfläche des Rohrs 32 emittierte Strahlung geht durch das Bohr 154, frei von Btrahlungseinflüssen aus der Umgebung, durch das Loch 159» durch die Vokuaeierlinse

160 und dann in die Strahlungsmesseinrichtung des Pyrometers 152. Da ein Zutritt von Strahlung aus der Umgebung bei dieser

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-ölvorrichtung völlig beseitigt ist, ist die von dem Pyrometer gemessene Strahlung eindeutig kennzeichnend für die Temperatur des Eohrs 32, die wiederum kennzeichnend ist für die Temperatur des durch das Rohr fließenden Mediums.

Wenn es die sonstigen Umstände erlauben, z.B. wenn ein Schweißen auf der äußeren Oberfläche eines medienführenden Rohrs zulässig ist, kann gegebenenfalls direkt ein Peilrolir angebracht werden, dessen eines Ende an dem medienführenden Rohr angeschweißt ist und dessen anderes Ende einen Flansch zur Befestigung des Pyrometers aufweist. Das Peilrolir wird hinreichend isoliert, um jeden Einfluß von Umgebungswärrae auf die gemessene Strahlung auszuschließen. Die Arbeitsweise einer derartigen Ausführungsform ist genauso, wie das vorstehend beschrieben wurde. Das an dem Flansch des Peilrohrs angebrachte Pyrometer blickt also axial durch das Peilrohr zur Messung der von den nedienfuhrenden Rohr ausgehenden Strahlung.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die vorstehend erläuterte Vorrichtung ein ausgezeichnetes Llittel zur Bestimmung hoher Temperaturen unter gewöhnlichen oder schwierigen Umgebungsbedingungen darstellt. ITimmt man beispielsweise an, daß es sich bei dem Betriebserhitzer 10 gemäß Figur 1 um einen Wasserdampfreformer handelt, so wird ein Wasserdampf-Methan-Gemisch durch die Verfahrensrohre JO geleitet und dabei äußerst hohen Temperaturen im Bereich von etwa 760 - 1204°C (1400 - 2200°F) ausgesetzt. In den Rohren

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50 befindet sich beispielsweise ein Nickeloxydkatalysator, der die Umsetzung der Wasserdampfreformierung katalysiert, unter Erzeugung von Wasserstoff zusammen mit etwas GO, CO 2 und anderen Reaktionsprodukten. Bei Anwendung von Temperaturlaessvorrichtungen gemäß der Erfindung nach Art der vorstehend erläuterten Llessvorrichtungen 11 und 111 kann ohne weiteres eine genaue Temperaturmessung und -überwachung bezüglich der Reaktionsteilnehmer, der Umsetzung selbst und der Reaktionsprodukte erzielt werden, da trotz der aggressiven und ungünstigen Uiiigebungsbedingungen genaue und unverfälschte Uesswerte erhalten werden, und die Ausgangsgrößen der Liesseinrichtungen eignen sich als Eingangsgrößen für automatische Regeleinrichtungen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorstehend zur Erläuterung anhand bevorzugter Ausführungsformen veranschaulicht worden, es ist jedoch ersichtlich, daß nach Laßgabe des Einzelfalles entsprechende Änderungen oder Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Bestimmung der temperatur eines Körpers in seiner Umgebung mit einer Anordnung zur Messung der Strahlungsabgabe von dem Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsmessanordnung (11; 111) eine Einrichtung (54; 154) zur Abschirmung gegen den Zutritt von Strahlung aus der Umgebung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsmessanordnung ein Pyrometer (52; 152) umfasst und die Einrichtung sur Abschirmung gegen Strahlung aus der Umgebung aus einem Rohr (54; 154) besteht, das von dem Körper (30, 32, 42) zu dem Pyrometer reicht.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (54; 154) an dem Körper (30, 32, 34) anlieft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer (52; 152) außen an einem Wärmeaustauscher, Ofen, Erhitzer (10) ο.dgl. angebracht ist und das Rohr (54; 154) durch dessen Wand führt und an einem Behältnis für ein darin befindliches Medium, Wärmeübertragungs mittel ο.dgl. anliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis aus einem Y/ärmeübertragungsrohr

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besteht und das strahlungsabschirmende Bohr (5^> 15*0 so angeordnet ist, daß die hindurchführende Blicklinie durch die Mittellinie des Wärmeubertragungsrohrs geht.

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