Gas- und Wärme-Institut in Essen

Messtechnische und experimentelle Möglichkeiten

Versuchshalle

Für die Betreiber von thermoprozesstechnischen Anlagen, aber auch für Brennerhersteller, bietet das GWI verschiedene Prüfstände und Messeinrichtungen an, um die Energieeffizienz, die Schadstoff emissionen und die Einbindung alternativer Brennstoffe in Industrieprozesse zu untersuchen. Hierzu zählen zwei leistungsfähige, mit moderner Messtechnik ausgestattete Hochtemperaturversuchsöfen mit einer Feuerungsleistung von bis zu 1,3 MW.

Für die messtechnische Untersuchung von Hochtemperaturprozessen mit großer Brennerleistung und hoher Luftvorwärmung steht der Hochtemperaturversuchsofen 1 zur Verfügung, welcher mit verschiedenen Brenngaszusammensetzungen betrieben werden kann. Durch fünf Beobachtungsfenster (Ø 250 mm) und 13 kleinere Probeentnahmeöffnungen (Ø 50 mm) ist der Zugang zum Feuerungsraum sowohl für Sonden als auch für optische Messverfahren gegeben.

Typische Betriebszustände, wie sie bei Hochtemperaturprozessen, z. B. in Glasschmelzwannen, auftreten, können mit Hilfe einer Luftvorwärmung realitätsnah nachgestellt werden. Ein angekoppeltes Kühlsystem, bestehend aus fünf variabel einsetzbaren, wassergekühlten Edelstahlrohren, ermöglicht es, die Ofenraumtemperatur bei verschiedenen Betriebszuständen konstant zu halten.

Für experimentelle Untersuchungen in unteren Leistungsbereichen von bis zu 300 kW und einer Luftvorwärmung von maximal 1.000 °C steht dem GWI ein weiterer Hochtemperaturversuchsofen zur Verfügung, welcher sich durch besonders flexible Einsatzmöglichkeiten auszeichnet. Diese Versuchsanlage kann direkt oder indirekt beheizt werden und bietet somit nicht nur die Möglichkeit für Brenneruntersuchungen, sondern auch für die thermische Behandlung von Wärmgut. Die indirekte Beheizung erfolgt dabei durch vier auf der unteren Ebene des Versuchsofens installierte und mit Erdgas befeuerte Strahlheizrohre, die den Ofen bis zur maximal zulässigen Ofenraumtemperatur von 1.300 °C aufheizen können. Das integrierte Luftkühlsystem, welches sich in der oberen Ebene des Versuchsofens befindet, sorgt bei Untersuchungen mit variablen Betriebsleistungen für eine konstante Ofenraumtemperatur. Durch ein großzügiges Beobachtungsfenster (200 mm x 600 mm) und sechs kleinere Probeentnahmestellen (Ø 50 mm) ist auch bei diesem Versuchsofen die Zugänglichkeit sowohl für optische als auch nicht-optische Messverfahren in vollem Umfang gegeben.

Ofen

Hochtemperaturversuchsofen 1

Max. Feuerungsleistung: 1,3 MW
Max. Ofenraumtemperatur: 1.600 °C
Max. Ofenwandtemperatur: 1.550 °C
Max. Luftvorwärmung: 1.250 °C
Abmessungen L x B x H: 5 m x 1 m x 1,2 m
Brennstoff : Erdgas, Heizöl EL,
Gasgemische
Oxidator: Luft , Sauerstoff ,
O 2-angereicherte Luft

Ofen

Hochtemperaturversuchsofen 2

Max. Feuerungsleistung: 300 kW
Max. Ofenraumtemperatur: 1.300 °C
Max. Ofenwandtemperatur: 1.250 °C
Max. Luftvorwärmung: 1.000 °C
Abmessungen L x B x H: 2,7 m x 1,2 m x 1,8 m
Brennstoff : Erdgas und Gasgemische
Oxidator: Luft , Sauerstoff ,
O 2-angereicherte Luft

Zukünftig erwartet das GWI eine steigende Nachfrage nach größeren testbaren Leistungen. Das GWI wird daher die Versuchseinrichtungen um eine 5 MW-Brennkammer erweitern. Des Weiteren verfügt das GWI über ein Narrow Angle Radiometer, welches zur Ermittlung von Wärmestromdichten bzw. Wärmestromverteilungen in Brennkammern eingesetzt werden kann. Darüber hinaus bietet das GWI seinen Kunden die Möglichkeit, ihre Radiometer im hauseigenen Kalibrierofen zu eichen.

Gasmischanlage

Um auch alternative Brenngase (beispielsweise Schwachgase wie Hochofengas, Deponiegas oder vergaste Biomasse) unter realen Prozessbedingungen testen zu können, ist es möglich, die Versuchsöfen über eine Gasmischanlage zu betreiben. Gasgemische aus bis zu sechs Komponenten (Erdgas, CH4, CO2, CO, N2 und H2) können so zusammengestellt werden. Neben einer leistungsfähigen, lokal festinstallierten Versuchseinrichtung steht dem GWI mobile, hochmoderne Messtechnik zur Verfügung, die beim Kunden vor Ort einsetzbar ist.

Mit Hilfe von wassergekühlten Sonden können sowohl Spezieskonzentrationen als auch Gastemperaturen gemessen werden. Mittels zweidimensionaler Feldmessungen können somit Konturplots von Temperaturen und relevanten Konzentrationen (CO2, CO, CH4, H2, NOx und O2) im Ofenraum erstellt werden.

Ein weiteres messtechnisches Verfahren zur Evaluierung von Verbrennungsprozessen stellt die UV-Flammenvisualisierung dar. Flammeneigenschaften, wie etwa die Flammenform, -stabilität oder -länge, können so ermittelt werden. Im „kalten Ofen“ sind Flammen vor dem Hintergrund kalter Ofenwände gut sichtbar.

Gaskonzentrations- und Temperaturmesssonde

Steigt die Ofenwandtemperatur jedoch über 900 °C, ist die Wandstrahlung im sichtbaren Spektrum so groß, dass die Flammen mit bloßem Auge kaum bis gar nicht mehr zu erkennen sind. Durch die Verwendung eines speziellen optischen Lichtfilter- und Verstärkungssystems kann jedoch in einem sehr engen Bereich des UV-Spektrums, in dem die Wandstrahlung keine Rolle spielt, ausschließlich die Flamme selbst dargestellt werden.

Konturplot einer 2-dimensionalen CO-Feldmessung

Dies wird möglich durch die Ausnutzung der Chemilumineszenz. Das in der Flamme entstehende OH-Radikal entwickelt dabei ein charakteristisches Eigenleuchten bei einer Wellenlänge von 306,4 nm. Auf diese Weise können Aussagen über die Flammenform und -länge getroffen werden. Des Weiteren stehen Brenngas- und Abgasanalysegeräte als auch Drucksonden für die Geschwindigkeitsbestimmung (Staurohr, Prandtl-Sonde) zur Vervollständigung der messtechnischen Erfassung zur Verfügung.

Flammenvisualisierungssystem
thermografische Auswertung