气体取样探头以及操作气体取样探头的方法与流程

本发明涉及一种气体取样探头以及操作气体取样探头的方法，其中，在气体取样管的前端的区域中从处理空间取出要分析的气体，并且经由气体取样管将要分析的气体传输远至后端并在该过程中冷却要分析的气体。

背景技术：

在DE 103 15 996 A1中已知一种用于从热反应空间取出气体样品的探头，其中，冷却水流过外壳所包围的环形空间。由于必须不能达到水的沸点，因此最高的回返温度为约90℃。然而，在这样的低温下，不能够可靠地排除在气体取样探头内温度下降到露点以下的情况。因此，一些制造商额外地电加热气体取样管，这样以便防止在测量气体中温度下降到露点以下的情况。在DE 103 15 996 A1中，防止温度下降到露点以下的方法在于使可抽真空腔室包围气体取样管。然而，强水冷还具有以下缺点：气体取样探头的外部部分被冷却到不必要的很大程度，其中，气体取样探头的过冷末端可能趋向于在热处理气体中形成沉积物。

同样公知的是使用传热油进行冷却的油冷气体取样探头。与水回路的不同之处在于：传热油可以在更高的温度范围内使用。其结果是，能够免除气体取样管的额外加热。然而，问题在于：难以评估传热油的泄漏，因为这里不可能排除火灾的危险。

此外，在DE 103 54 188 A1中已知一种高温取样探头，其中，气体取样管被外管包围，并在这两个管子之间传输加压冷却空气。在该过程中，必须小心以确保要分析的取出气体沿着气体取样管不被冷却到低于250℃，从而避免冷凝。

技术实现要素：

本发明基于详细说明一种操作气体取样探头的新构思的目的，利用该气体取样探头，能够确保气体取样管的前端的充分冷却，并且能够可靠地避免要分析的气体的温度下降到包含在要分析的气体中的各组分的露点温度以下的情况。

根据本发明，权利要求1和16的特征能够实现该目的。进一步的构造是从属权利要求的主题。

在根据本发明的用于操作气体取样探头的方法中，在气体取样管的前端的区域中从处理空间取出要分析的气体，经由气体取样管将要分析的气体传输远至后端，并且在该过程中通过在气体取样管与包围气体取样管的至少一个外壳之间传输冷却空气来冷却要分析的气体，其中，在气体取样管的后端处供给和排出冷却空气，要分析的气体在气体取样管的前端的区域中的温度高于所供给的冷却空气的温度，其中，气体取样探头向外进行辐射，并且所供给的冷却空气的温度高于所排出的冷却空气的温度。

根据本发明的用于实施上述方法的气体取样装置具有气体取样管以在前端的区域中取出要分析的气体，并经由气体取样管将要分析的气体传输远至后端，其中，气体取样管被至少一个外壳包围，以便形成沿着气体取样管的长度延伸的冷却区域，所述冷却区域具有位于气体取样探头的后端的区域中的冷却空气供给开口和冷却空气排出开口，其中，冷却空气排出开口和冷却空气供给开口连接在一起以形成封闭的回路，并且气体取样探头向外进行辐射。此外，在冷却空气排出开口与冷却空气供给开口之间设置有空气加热器。

根据本发明的所供给的冷却空气的温度高于所排出的冷却空气的温度的构思基于以下事实：仅从处理空间取出较少的热量，以及气体取样探头朝外部散热。经由气体取样管传输冷却空气具有以下效果：降低了气体取样探头的前端的温度，同时在后部区域中加热气体取样管。同时，从前端至后端冷却取出的要分析的气体。因此，气体取样管的温度沿其整个长度被均衡化。

与水冷相比，以空气冷却的方式可以以目标方式升高气体取样管的前端的温度，以降低外部材料沉积的风险。原因在于，在水冷的情况下，因为水与探头壁部之间的传热系数比空气与探头壁部之间的传热系数大得多，气体取样探头的表面温度要低很多。此外，水由于具有更大的热容量而可以发散掉更多的热量。此外，在根据本发明的解决方案的情况下，利用更高的操作温度同样可以使材料在气体取样管的沉积或冷凝减至最小。

本发明的进一步的构造是从属权利要求的主题。

气体取样探头优选地布置在处理空间中，使得气体取样探头在面向处理空间的前部区域中从外部吸收热量而在后部区域中将热量辐射到外部，其中，在整体的热平衡中，气体取样探头辐射的热量多于气体取样探头吸收的热量。

气体取样探头所吸收的热量与所辐射的热量之差对应于要分析的气体的冷却热量与冷却空气的冷却热量之和。

根据本发明的优选构造，将冷却空气从气体取样管的后端传输至前端并且再次向后传输。此外，可以在回路中传输冷却空气，其中，所排出的冷却空气的温度在被再次供给之前升高。在这种情况下，还可以进行以下设置：测量所排出的冷却空气的温度并且根据所测得的温度致动空气加热器，使得在回路中传输的冷却空气的温度在气体取样管的后端处的供给区域中处于预设值。要供给的冷却气体的温度和量设定为：从气体取样管的前端至后端冷却要分析的气体，使得要分析的气体被至多冷却至如下的最低温度，该最低温度高于或等于包含在要分析的气体中的各组分的露点温度。此外，可以进行这样的设置：所供给的冷却空气的在气体取样管的后端处的温度高于要分析的气体的温度，而所排出的冷却空气的温度低于或等于要分析的气体的温度。通过设置冷却空气的温度和量，气体取样管的沿其整个长度的温度曲线被设定为：最低温度高于或等于包含在要分析的气体中的各组分的露点温度。取决于要分析的气体的温度，所排出的冷却空气的温度在被再次供给之前升高至少20℃，优选地升高至少50℃，最优选地升高至少75℃。在气体取样管的后端的区域中，将所供给的冷却空气的温度优选地设定在100℃至600℃的范围内。要分析的气体在处理空间中(即，在被取出之前)的温度可以在200℃至1600℃的范围内。此外，气体取样探头利用冷却空气进行操作，从而从气体取样管的前端至后端，使得被取出的要分析的气体的温度冷却至少50％，优选地被冷却至少60％，最优选地被冷却至少70％。此外，适宜的是，在气体取样管的后端的区域中，所排出的冷却空气的温度保持为低于或等于气体取样管的温度。

空气加热器适宜地连接至控制装置，控制装置根据来自温度测量装置的温度信号致动空气加热器，其中，温度测量装置感测经由冷却空气排出开口排出的冷却空气的温度。根据气体取样探头的第一示例性实施例，在气体取样管与外壳之间形成的冷却区域被划分成沿着气体取样管的长度延伸的两个半部，所述两个半部在气体取样管的前部区域中经由溢流区域连接在一起，并且冷却空气供给开口和冷却空气排出开口在气体取样探头的后部区域中分别设置在两个半部中的一者上。根据第二示例性实施例，在气体取样管与外壳之间形成的冷却区域具有彼此同心布置的两个环形空间，所述环形空间在气体取样管的前部区域中经由溢流区域连接在一起，并且冷却空气供给开口和冷却空气排出开口在气体取样探头的后部区域中分别附接在两个环形空间中的一者上。

利用在抽出气体的处理空间中的温度得出要分析的气体的最高温度。对于在用于制造水泥熟料(cement clinker)的炉的流入区域中进行气体分析的应用情况而言，该温度为约1200℃。当经由气体取样管取出要分析的气体时，必须确保气体不会冷凝。因此，要分析的气体的最低温度由气体中的气体组分的最低露点限定。对于在用于制造水泥熟料的炉的流入区域中进行气体分析的上述应用情况而言，约200℃的气体温度高于预期的露点。此外，气体取样管的温度应尽可能得高，以最大程度地减少沉积物的形成。在气体取样管的前端的区域中的最高壁部温度由所使用的材料的所需蠕变强度确定。空气冷却式气体取样探头可以以比液体冷却式气体取样管高得多的壁部温度进行操作，因此可以在前部区域中设定500℃至600℃的温度。

沿着气体取样管的最低壁部温度不应下降到要分析的气体中的各组分的最低露点温度以下。取出的要分析的气体的最低温度的设定和沿着气体取样管的热量的分布基本上由所供给的冷却气体的温度和冷却空气的量或流量确定，并且必须适合于各条件。为了确保沿着气体取样管的热量的最佳分布，冷却空气应当在气体取样探头内以高到能够导致紊流的流量进行传输。

将通过以下描述和附图更详细地说明本发明的进一步的优点和构造。

附图说明

在附图中：

图1示出气体取样装置的基本示意图，

图2a示出根据第一示例性实施例的气体取样探头的纵向剖视图，

图2b示出沿着图2a的线G-G截取的剖视图，

图3a示出根据第二示例性实施例的气体取样探头的纵向剖视图，

图3b示出沿着图3a的线J-J截取的剖视图，

图4示出气体取样装置的基本示意图，该气体取样装置具有用于根据温度信号致动空气加热器的控制装置，

图5示出具有所示温度曲线的气体取样探头的安装场合的示意性剖视图，

图6示出表示因安装场合而输入到气体取样探头中的热量的视图，

图7示出表示输入到气体取样管的热量的视图，

图8示出表示取出气体的温度曲线和气体取样管的沿其长度的壁部温度的视图，

图9示出表示沿着气体取样管的冷却空气的温度曲线的视图，以及

图10示出气体取样探头的前端的细节图。

具体实施方式

图1所示的气体取样装置具有气体取样探头1，气体取样探头1具有气体取样管2，以便在前端1a的区域中从处理空间取出要分析的气体，并经由气体取样管将要分析的气体传输远至后端1b。气体取样管被外壳3包围，其中，在气体取样管2与外壳3之间传输冷却空气14，所述冷却空气14经由位于后端1b的冷却空气供给开口4进行供给并经由冷却空气排出开口5排出。冷却空气排出开口和冷却空气供给开口连接在一起，以形成封闭的回路，其中，风扇6和空气加热器7设置在冷却空气排出开口与冷却空气供给开口之间。

在图2a和图2b中更详细地示出了根据第一示例性实施例的气体取样探头1’，其中，形成在气体取样管2’与外壳3’之间的冷却区域被划分成沿着气体取样管2’的长度延伸的两个半部8’a、8’b，所述两个半部在气体取样探头的前部区域1’a中经由溢流区域9’连接在一起。在气体取样探头的后部区域中，冷却空气供给开口4’附接在一个半部8’a上，而冷却空气排出开口5’附接在另一半部8’b中。经由冷却空气供给开口4’供给的冷却空气14由此在冷却区域的下半部8’a中从气体取样探头1’的后端1’b流动远至前部区域1’a，经由溢流区域9’经过前部区域1’a流动到冷却区域的上半部8’b中，并且回流到冷却空气排出开口5’。在这种情况下，两个半部由分隔壁10’、11’(图2b)定界。

为了防止气体取样探头1’从外部输入过多的热量(即，因安装场合而输入)，外壳3’被绝缘部12’和保护管13’包围。在冷却区域内以箭头的方式示出了冷却空气供给开口4’所供给的冷却空气14的流动。

在图3a和图3b中公开了根据第二示例性实施例的气体取样探头1”，所述气体取样探头1”的不同之处基本上仅在于冷却区域的形成方式。在该情况下，在气体取样管2”与外壳3”之间形成的冷却区域由两个同心布置的环形空间8”c和8”d形成，环形空间8”c和8”d也在气体取样探头1”的前部区域1”a经由溢流区域9”连接在一起。在气体取样探头1”的后部区域1”b中，冷却空气供给开口4”和冷却空气排出开口5”分别附接到两个环形空间8”c、8”d中的一者上。在冷却区域内以箭头的方式示出了经由冷却空气供给开口4”所供给的冷却空气14的流动。

图4示出了根据图1的气体取样装置，但额外具有控制装置15，控制装置15与空气加热器7连接，并且根据来自温度测量装置16的温度信号致动空气加热器，其中，温度测量装置16感测经由冷却空气排出开口5排出的冷却空气的温度。控制装置15可以进一步致动风扇6，以便由此调节冷却空气的冷却空气量/流量。

图5示出了处于安装在围绕处理空间17的壁部18中的具体安装场合下的图2a的气体取样探头1’。在所示示例性实施例中，气体取样探头1’以与壁部18齐平的方式引入到处理空间17中。此外，示出了气体取样探头外部的温度曲线。在所示的示例性实施例中壁部以双层方式构造，其中，设置有朝内的耐火衬里18a、绝缘部18b以及可选的另一壳体壁。从处理空间17中的气体处于约1200℃的温度的情况开始，壁部18在位置A处的温度为约1100℃，在点B处为约960℃，而在点C区域的外侧上温度的测量值仅为约200℃。在壁部的外侧，在区域D中，环境温度保持为例如30℃。

图6示出表示因根据图5的安装场合而输入到气体取样探头中的热量的视图。在这种情况下，因热环境(壁部、处理空间)而使得热量被特别引入到气体取样探头的插入到壁部18中的前部(吸热区域)，而气体取样探头的后部因与环境空气接触而将热能辐射到外部(散热区域)。在这些区域中，热输入或热辐射用箭头表示。

图7示出相对于气体取样管2’的热输入和热输出，其中，在具有前端1’a的前部区域中，热的气体取样管将热能辐射到附近的冷却系统(具体而言，冷却空气)，而在具有后端1’b的后部区域中，冷却空气将热能引入到气体取样管中。在这些区域中，再次用箭头表示热辐射和热输入。

从图8中可以清楚地看到沿着气体取样探头长度的要分析的取出气体19的相关温度曲线和气体取样管2’的温度。可以看出，要分析的气体19从其约1200℃的取出温度被冷却到约200℃，而气体取样管的温度在前端1’a处具有低得多的温度水平，并且该温度适应于朝着后端1’b的方向接近要分析的气体19的温度。

与之对应的是，图9以虚线的方式示出了冷却空气的流动温度范围14a并以实线的方式示出了冷却空气的回返温度范围14b。在此非常清楚的是，冷却气体在冷却空气供给开口的区域中的温度高于在冷却空气排出开口的区域中的温度。这种极其不寻常的温度分布是这样实现的：冷却空气将热量从气体取样探头的前部区域1’a发散到后部区域1’b，并同时冷却要分析的气体19。此外，气体取样探头向外进行辐射，尤其在未安装到壁部18中的区域中进行辐射。对要分析的气体进行的强冷作用主要基于这样的事实：与要分析的气体的量相比，供给大约500倍至2500倍的冷却空气的量。为了能够容易地将热量从前部区域1’a发散到后部区域1’b，适当地使用由具有高导热率的材料制成的管，例如碳纳米管。绝缘部12主要用于确保没有额外的热量从外部引入到气体取样探头中。为了提高热量沿着气体取样管的分布，使冷却空气14以紊流在气体取样探头中传输。以相应地选择参数“流体流量”和“粘度”(这些参数影响表征流动情况的雷诺数)以及管壁的表面品质的方式产生所需的紊流。此外，紊流的产生可以得到界定冷却区域的壁部的相应粗糙表面的支持。

借助于风扇6和空气加热器7，冷却空气在其流量/量和其温度方面可以适应于外部条件，以避免要分析的气体被过度冷却到包含在要分析的气体中的各组分的露点温度以下，并且还实现温度曲线沿着气体取样探头的均衡化。

参考图10，将对如何实现这两个目标进行说明。已经发现，有利的是，针对内径为D的气体取样管的流动横截面面积限定气体取样管2的壁厚t1和外壳3的壁厚t2，使得由壁厚为t1和t2的环形面形成的面积大于或等于气体取样管的流动横截面面积的0.4倍。