NL1040070C2 - Plasmatron en verwarmingsinrichtingen omvattende een plasmatron. - Google Patents

Description

Plasmatron en verwarmingsinrichtingen omvattende een plasmatron Beschrijving

Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een plasmatron voor het verwarmen van een gas, in het bijzonder lucht, welk gas zich in een verwarmingsruimte bevindt, omvattende een mondstuk, welk mondstuk een mondstukwand en een in de mondstukwand aanwezige mondstukopening omvat. Verder heeft de uitvinding betrekking op verwarmingsinrichtingen omvattende een verwarmingsruimte en een plasmatron.

Achtergrond van de uitvinding

De werking van warmtebronnen van verwarmingsinrichtingen is doorgaans gebaseerd op de verbranding van een brandstof, in het algemeen aardgas. Er wordt echter steeds meer onderzoek gedaan naar het gebruik van alternatieve warmtebronnen. In een beschrijving van een verwarmingsinrichting en in enkele beschrijvingen van inrichtingen die als warmtebron voor een verwarmingsinrichting zouden kunnen functioneren, speelt het gebruik van een plasmatron een rol.

Een plasmatron is een inrichting die een plasmaboog kan genereren, welke plasmaboog zich vanaf een elektrisch met een spanningsbron verbonden kathode uitstrekt. In een plasmatron met niet-overgedragen plasmaboog wordt de plasmaboog tussen de kathode en een in de plasmatron aanwezige anode, meestal een mondstukwand, gegenereerd. De plasmaboog wordt gegenereerd door het bestaan van een hoog spanningsverschil en is zichtbaar door het ontstaan van geïoniseerde moleculen, het plasma. Een plasmatron omvat doorgaans leidingen voor de toevoer van plasmagas naar de ruimte tussen de kathode en anode. Het plasmagas gaat in of nabij de plasmaboog door het grote spanningsverschil over in een plasma, de geïoniseerde toestand van het plasmagas, zodat de plasmaboog groter wordt en daardoor hogere temperaturen worden bereikt. Het plasmagas is vaak argon of helium of waterstofgas of een mengsel van deze gassen. Deze gassen worden in daarvoor geschikte gasflessen onder druk bewaard. Vele plasmatrons omvatten separate afgesloten waterkoelsystemen teneinde de kathode en overige onderdelen van de plasmatron te beschermen tegen de hoge temperaturen van het plasma.

Deze waterkoelsystemen staan echter niet in direct contact met de plasmaboog. In andere plasmatrons wordt damp of water in de anode-naar-kathode-richting naar de plasmaboog geleid voor het produceren van stoom, zie US 2010/0252537. De in dit octrooidocument beschreven plasmatron genereert een plasmaboog met een plasmagas dat niet waterdamp is maar argon. De dwarsdoorsnede van de mondstukopening van een regulier mondstuk van plasmatrons met niet-overdragen boog is in de regel circulair met een diameter van 0,2-0,6 mm. Met een dergelijk mondstuk kan een geconcentreerde hitte worden gecreëerd. Plasmatrons worden hoofdzakelijk gebruikt voor het lassen of snijden van metalen voorwerpen. US-octrooi 5,360,495 beschrijft een plasmatron die een brede, maar wel rechte, plasma'bundel' produceert door een mondstukopening waarvan de lengte zodanig is dat magneten aan weerszijden de plasmaboog kunnen vervormen. De dwarsdoorsnede van de in dit octrooidocument beschreven mondstukopening is langwerpig zodat de plasmaboog zodanig door de magneten kan worden gemanipuleerd dat een brede plasma'bundel' ontstaat die gunstig is voor het scherper maken van snijranden.

CA 1 242 000 beschrijft een inrichting omvattende een plasmatron voor het verwarmen van grote hoeveelheden lucht, welke inrichting als warmtebron voor een verwarmingsinrichting zou kunnen functioneren. Hierin strekt de plasmaboog zich in een langwerpige ruimte uit vanaf een elektrode die zich achter in de ruimte bevindt naar een andere elektrode die zich vóór in de ruimte bevindt. De hitte van de plasmaboog wordt afgegeven en de plasmatron, en met name de kathode ervan, wordt tegen te hoge temperaturen beschermd door dóór deze ruimte grote hoeveelhedenlucht te leiden. Dit document beschrijft niet welke plasmagassen voor het voeden van de plasmaboog worden gebruikt. Waarschijnlijk gebruikt deze inrichting de reguliere plasmagassen. De reguliere plasmagassen worden opgeslagen in gasflessen waarvan de opslag niet ongevaarlijk is. Een verwarmingsinrichting die gebruik maakt van een in dit document beschreven inrichting is daarom niet geschikt voor een verwarmingsinrichting voor particulier gebruik, bijvoorbeeld voor het verwarmen van een huis. Naast het feit dat opslag van de reguliere gassen niet zonder gevaar is, kunnen de kosten van de reguliere plasmagassen de totale kosten doen verhogen waardoor een dergelijke verwarmingsinrichting ten aanzien van de verbruikskosten niet gunstig is. Een ander nadeel van een dergelijk systeem is dat grote hoeveelheden lucht worden verwarmd zodat dit systeem moeilijk kan worden aangesloten op een bestaand waterleidingensysteem van een verwarmingssysteem in een huis. Weer een ander nadeel is dat een dergelijke plasmatron twee van elkaar gescheiden leidingsystemen omvat, een voor water om de inrichting extra te koelen en een voor het plasmagas voor het in stand houden van de plasmaboog en het verhogen van de temperatuur in de plasmaboog waardoor de productiekosten toenemen. Dit document beschrijft bovendien niet wat de efficiëntie van het systeem is, met andere woorden wat de verbruikskosten kunnen zijn voor het verwarmen van de grote hoeveelheden lucht. Het is dus onduidelijk of een dergelijke verwarmingsinrichting met betrekking tot die verbruikskosten kan concurreren met de huidige verwarmingsinrichtingen.

UA81989 beschrijft een stoomgenerator omvattende een plasmatron, welke stoomgenerator als warmtebron voor een verwarmingsinrichting zou kunnen functioneren. Hierbij zou niet de plasmaboog maar stoom de warmtebron zijn. In deze stoomgenerator wordt namelijk koud water langs de door een plasmatron gegenereerde plasmaboog geleid met het primaire doel om waterdamp of stoom te creëren. De hoeveelheden water die tot waterdamp worden omgezet, verlagen de efficiëntie van het systeem. Een ander nadeel is dat relatief grote hoeveelheden condenswater afgevoerd dienen te worden. Dit document vermeldt ook niet welke plasmagassen worden gebruikt zodat kan worden verondersteld dat dit de reguliere plasmagassen zijn, met de hierboven genoemde nadelen voor verwarmingsinrichtingen voor particulier gebruik.

In DE3735341 wordt melding gemaakt van een verwarmingsinrichting waarbij de werking van de warmtebron is gebaseerd op een plasmatron. De verwarmingsinrichting omvat een gescheiden waterleidingenstelsel waarbij water als koelmiddel wordt gebruikt maar niet in direct contact staat met de plasmaboog. Het omvat wel een toevoer van water naar de verbrandingsruimte waarin de plasmaboog zich uitstrekt. Volgens de uitvinders van dit octrooi wordt het water in de verbrandingsruimte in stoom omgezet en onder vorming van waterstofgas thermisch ontleed, waarbij het waterstofgas vervolgens wordt verbrand. Dit document beschrijft niet welke plasmagassen worden gebruikt zodat het aannemelijk is dat de reguliere plasmagassen worden gebruikt, waarbij de hierboven genoemde nadelen van toepassing zijn. In dit document wordt vermeld dat de temperatuur in de ruimte 1200 °C kan worden. De temperatuur kan echter vele malen hoger worden, zo hoog dat materiaalschade het gevolg kan zijn. De temperatuur van een plasmaboog kan namelijk zo hoog als 8000 °C worden. Als de ontleding van het water resulteert in waterstofgas en dit waterstofgas in de ruimte ontbrandt, zal de toevoer van water en/of waterdamp geen koelend effect hebben. Er wordt in dit document geen melding gemaakt van koelende maatregelen voor het beschermen van de inrichting. Het vergroten van de afmetingen van de verbrandingsruimte is geen oplossing omdat de concentratie van het waterstofgas voor ontbranding voldoende hoog dient te zijn. Dit document beschrijft bovendien niet wat de efficiëntie van het systeem is. Het is dus onduidelijk of een dergelijke verwarmingsinrichting met betrekking tot de verbruikskosten kan concurreren met de huidige verwarmingsinrichtingen die aardgas gebruiken.

Problemen die zich voordoen bij het ontwikkelen van een plasmatron voor een verwarmingsinrichting of een verwarmingsinrichting in combinatie met een dergelijke plasmatron hebben op verschillende manieren betrekking op de temperatuur. De hoge temperatuur van de plasmaboog mag niet leiden tot materiaalschade aan de verwarmingsinrichting of aan de plasmatron zelf. Het vergroten van de verwarmingsruimte van de verwarmingsinrichting verdient niet de voorkeur omdat de verwarmingsinrichting dan niet op dezelfde plaats als een reguliere verwarmingsinrichting kan worden geplaatst. De kracht van de plasmaboog dient dus gecontroleerd te worden. De mogelijkheden voor het manipuleren van de plasmaboog zijn alleen beperkt. Aspecten die deze mogelijkheden beperken zijn, te grote afstand tussen kathode en anode waardoor het moeilijker is om een plasmaboog te creëren en/of of in stand te houden, te weinig mogelijkheden voor warmteoverdracht in de plasmatron en buiten de plasmatron, te veel elektrische energie nodig voor het genereren en/of in stand houden van de plasmaboog waardoor de efficiëntie afneemt, en dergelijke. Dus enerzijds dient de koeling voldoende te zijn om materiaalschade en een instabiele vlamboog te voorkomen, en anderzijds dient met zo min mogelijk elektrische energie zo veel mogelijk warmte gegenereerd te worden. Een ander probleem is het gebruik van de algemene plasmagassen als argon, helium en/of waterstofgas waarvan de opslag niet ongevaarlijk is.

Het is derhalve een doel van de uitvinding om een plasmatron of een verwarmingsinrichting omvattende een plasmatron te verschaffen waarbij geen gebruik wordt gemaakt van plasmagassen die in een gasfles opgeslagen dienen te worden. Het is verder een doel van de uitvinding om een verwarmingsinrichting te verschaffen waarvan de verbruikskosten gelijk zijn aan of lager zijn dan de conventionele verwarmingsinrichtingen die aardgas gebruiken. Het is verder een doel van de uitvinding om een dergelijke verwarmingsinrichting te verschaffen, welke verwarmingsinrichting geschikt is voor particulier gebruik, bijvoorbeeld voor het verwarmen van huizen, kosteneffectief kan worden geproduceerd en kan worden aangesloten op een bestaand waterleidingensysteem.

Samenvatting van de uitvinding

Om ten minste één van deze doeleinden te bereiken, verschaft de uitvinding een plasmatron voor het verwarmen van een gas, in het bijzonder lucht, welk gas zich in een verwarmingsruimte bevindt, omvattende een mondstuk, welk mondstuk een mondstukwand en een in de mondstukwand aanwezige mondstukopening omvat, waarbij de verhouding van de maximale diameter van de dwarsdoorsnede van de mondstukopening ten opzichte van de eerste lengte van de mondstukopening groter dan 2 is.

In een uitvoeringsvorm ligt de hierboven genoemde verhouding in het bereik van 2 - 3. In weer een andere uitvoeringsvorm ligt de hierboven genoemde verhouding in het bereik van 3-4.

Een belangrijk voordeel van een dergelijke plasmatron is dat deze een sterk divergerende plasmaboog kan genereren. Hierdoor wordt de warmte die door de plasmaboog wordt gegenereerd beter verspreid en zijn er minder maatregelen nodig om een dergelijke plasmatron te gebruiken voor een verwarmingsinrichting voor particulier gebruik. Om bij een reguliere plasmatron schade van de verwarmingsruimtewand te voorkomen, zou de afstand van de mondstukopening tot de verwarmingsruimtewand zodanig groot moeten zijn dat toepassing voor een verwarmingsinrichting voor particulier gebruik niet realistisch is. De divergerende plasmaboog maakt realistische afmetingen van een verwarmingsruimte voor een verwarmingsinrichting voor particulier gebruik mogelijk.

Met de term lengte" wanneer deze met betrekking tot de mondstukopening wordt gebruikt, wordt de gemiddelde afmeting van de mondstukopening die parallel is aan de richting waarin de plasmaboog zich door de mondstukopening uitstrekt bedoeld.

Met de term "dwarsdoorsnede" wanneer deze met betrekking tot de mondstukopening wordt gebruikt, wordt de doorsnede dwars op de richting waarin de plasmaboog zich door de mondstukopening uitstrekt bedoeld.

In een uitvoeringsvoorbeeld van een plasmatron volgens de uitvinding is de dikte van de mondstukwand in hoofdzaak gelijk aan de eerste lengte van de mondstukopening en niet groter dan 3 mm.

Doordat de eerste lengte van de mondstukopening beperkt is, zal de plasmaboog minder kans krijgen de plasmatron als een geconcentreerde bundel stralen te verlaten. Bij voorkeur is de eerste lengte 1 tot 2 mm.

In een uitvoeringsvoorbeeld van een plasmatron volgens de uitvinding heeft de mondstukopening een niet-cirkelvormige dwarsdoorsnede.

Er is gevonden dat, teneinde de plasmaboog beter te verspreiden, met andere woorden breder te maken, en toch een stabiele plasmaboog te verkrijgen, het gunstig is dat de mondstukopening niet circulair is. Dit is onverwacht omdat er naar het beste weten van de uitvinders geen mondstukken voor plasmatrons met niet-circulaire mondstukopeningen bestaan.

Bij voorkeur omvat de mondstukwand een mondstukopening met een langwerpige dwarsdoorsnede, waarbij de tweede lengte van de dwarsdoorsnede ten minste 1,3 keer groter is dan de breedte van de dwarsdoorsnede. Zonder de wens gebonden te zijn aan een theorie, kan de breedte voldoende zijn voor het behouden van een plasmaboog terwijl de tweede lengte een beter verspreide plasmaboog mogelijk maakt.

In een ander uitvoeringsvoorbeeld van een plasmatron volgens de uitvinding omvat de mondstukwand een mondstukopening met een langwerpige dwarsdoorsnede en is de dwarsdoorsnede van de mondstukopening 3 - 5 mm lang en 1 - 2,5 mm breed.

In weer een ander uitvoeringsvoorbeeld van een plasmatron volgens de uitvinding omvat deze tevens een kathode, een ruimte die zich tussen de kathode en de mondstukwand bevindt, en een leiding voor het in de richting van de ruimte leiden van water of een waterbevattende vloeistof.

Een voordeel van het gebruik van water of een waterbevattende vloeistof voor de plasmatron volgens de uitvinding is dat tijdens gebruik van de plasmatron in de nabijheid van de plasmaboog een deel van het water of waterbevattende vloeistof dat, of die, door de leiding in de richting van de ruimte wordt geleid, als gevolg van de hitte van de plasmaboog in stoom overgaat, en dat deze stoom de plasmaboog met veel kracht door de mondstukopening kan drijven. Hierdoor kan de plasmaboog zich zoveel mogelijk buiten de plasmatron en in de verwarmingsruimte uitstrekken zodat de hitte van de plasmaboog zoveel mogelijk voor het verwarmen van het medium kan worden benut. Een ander voordeel van de stoom die wordt gegenereerd is dat de watermoleculen door de hoge temperatuur in waterstofgas en zuurstofgas worden ontleed. Het waterstofgas wordt gebruikt als plasmagas waarbij de geïoniseerde waterstofatomen die in de plasmaboog ontstaan de plasmaboog groter maken en de temperatuur in en rondom de plasmaboog verhogen. Het gebruik van reguliere plasmagassen die in gasflessen worden opgeslagen is bij deze verwarmingsinrichting derhalve niet meer vereist en kan zelfs achterwege worden gelaten. Een ander voordeel van de stoom die de plasmaboog door de mondstukwand drijft, en daarmee verlengt, is dat hiermee materiaalschade aan de kathode en de mondstukwand als gevolg van te hoge temperaturen kan worden voorkomen. Bij voorkeur strekt de leiding zich ten minste gedeeltelijk door de plasmatron uit en eindigt deze in de nabijheid van de kathode.

Bij voorkeur strekt de kathode zich in een van de mondstukopening afgekeerde richting door de leiding uit.

Het voordeel van een dergelijke plasmatron is dat het water of de waterbevattende vloeistof zowel voor het genereren van stoom voor het breder en krachtiger maken van de plasmaboog alsook voor het koelen van de kathode kan worden gebruikt. Er zijn geen gescheiden systemen voor het plasmagas en voor de koeling nodig waardoor de productiekosten een verwarmingsinrichting die een dergelijke plasmatron omvat beperkt kunnen blijven. De vloeistof ondergaat, als gevolg van de door de plasmaboog gegenereerde hitte, een vortexbeweging rondom de kathode teneinde deze beter te kunnen koelen. Bij voorkeur is voor optimale koelmogelijkheden de leiding buisvormig en is de kathode concentrisch ten opzichte van de leiding gepositioneerd.

Wanneer in deze aanvraag “kathode” wordt genoemd, wordt daarmee een deel van de plasmatron bedoeld dat met betrekking tot elektrische geleiding en thermische geleiding één geheel vormt met het kathodedeel dat in de nabijheid van de mondstukwand een plasmaboog genereert.

In weer een ander uitvoeringsvoorbeeld van een plasmatron volgens de uitvinding omvat deze een uit glas of kwartsglas vervaardigd buisvormig deel waarvan een binnendiameter van het buisvormig deel groter is dan, of gelijk is aan, een maximale buitendiameter van de kathode, waarbij in gemonteerde toestand het buisvormig deel in de leiding is opgenomen en de kathode in het buisvormig deel is opgenomen, zodanig dat in functionerende toestand de vloeistof die zich in de leiding bevindt heen en weer kan bewegen van een binnenzijde van het buisvormig deel naar aan een buitenzijde van het buisvormig deel.

Het buisvormig deel functioneert als een elektrische isolatie voor de kathode zodat de spanning tussen de kathode en het als anode functionerende deel van de mondstukwand zo efficiënt mogelijk kan worden aangehouden. Het buisvormig deel resulteert eveneens in een bepaalde segmentatie die gunstig is voor het koelen van de kathode. De water of waterbevattende vloeistof in de ruimte wordt in de aanwezigheid van een plasmaboog door de drukverhoging als gevolg van de hoge temperatuur en stoomvorming in beweging gebracht. Dit kan een vortexbeweging zijn. De water of waterbevattende vloeistof kan de kathode koelen doordat het aan de binnenzijde van het buisvormig deel de hitte van de kathode kan absorberen en vervolgens aan de buitenzijde van het buisvormig deel weer aan de omgeving kan afgeven. Bij voorkeur wordt de kathode gekoeld tot een temperatuur waarbij geen materiaalschade kan ontstaan.

In weer een ander uitvoeringsvoorbeeld van een plasmatron volgens de uitvinding omvat deze een vloeistofreservoir, welke vloeistofreservoir geschikt is voor het houden van water of een waterbevattende vloeistof en in vloeistofverbinding staat met de leiding.

Het vloeistofreservoir kan worden gevuld met gedemineraliseerd water, leidingwater afkomstig van het openbare waterleidingnet of een mengsel van water met een andere vloeistof, bijvoorbeeld een alcohol. Bij voorkeur wordt leidingwater of gedemineraliseerd water als vloeistof in de verwarmingsinrichting gebruikt zodat er geen giftige dampen of stoffen vrijkomen en derhalve geen veiligheidsmaatregelen nodig zijn. De vloeistofreservoir kan eventueel aangesloten zijn op een waterleidingssysteem, eventueel met tussenkomst van een doseringssysteem omvattende ventielen, kleppen, en dergelijke. Bij voorkeur is de plasmatron zodanig ontworpen dat het vloeistofgebruik van de plasmatron 30 - 1.000 ml/uur is.

Verder verschaft de uitvinding een verwarmingsinrichting omvattende een verwarmingsruimte en een plasmatron volgens de uitvinding voor het verwarmen van een gas, in het bijzonder lucht, welk gas zich in de verwarmingsruimte bevindt.

In een dergelijke verwarmingsinrichting bestaat de warmtebon uit een zodanig door de plasmatron gegenereerde divergerende plasmaboog dat de afmetingen van de verwarmingsruimte zodanig kunnen zijn, dat de verwarmingsinrichting gemakkelijk in particuliere woningen of kleinschalige bedrijven kan worden ingebouwd.

Wanneer deze verwarmingsinrichting gebruik maakt van water of waterdamp als plasmagas, is naast de elektrische energie die voor het genereren en in stand houden van de plasmaboog wordt verbruikt alleen de opname of toevoer van water of een waterbevattende vloeistof vereist en zullen er bij verwarmen van het medium geen schadelijke stoffen vrijkomen.

De uitvinding verschaft bovendien een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding omvattende een verwarmingsruimte en een plasmatron, waarbij de plasmatron een kathode, een ruimte die zich tussen de kathode en de mondstukwand bevindt, en een leiding voor het in de richting van de ruimte leiden van water of een waterbevattende vloeistof omvat, en de verwarmingsinrichting tevens aansluitmiddelen voor verbinding van de plasmatron met een waterleidingssysteem omvat.

Het voordeel van een dergelijke verwarmingsinrichting is dat deze zodanig kan worden uitgevoerd dat continu water van een waterleidingssysteem in de richting van de ruimte kan worden geleid. Bij voorkeur omvatten de aansluitmiddelen een doseringssysteem bijvoorbeeld omvattende ventielen, kleppen, en dergelijke, zodat gedoseerde doorgang van water mogelijk is en de toevoer van water niet afhankelijk is van de heersende druk in het waterleidingssysteem. Bij voorkeur strekt de leiding zich ten minste gedeeltelijk door de plasmatron uit en eindigt deze in de nabijheid van de kathode.

In een voorbeelduitvoeringsvorm omvatten de aansluitmiddelen een drukregulator voor het creëren van een druk in de leiding in het bereik vanaf 800 mbar tot 1300 mbar. De druk in een waterleidingssysteem is gemiddeld ongeveer 3 bar. Deze druk is te hoog voor het gebruik met de plasmatron. Er kan geen of ten minste geen stabiele plasmaboog worden gecreëerd. Daarom dient in dit geval de druk te worden verlaagd. Wanneer de bron van het water of waterbevattende vloeistof niet onder druk staat, dient de druk verhoogd te worden. De uitvinders hebben proefondervindelijk bepaald dat een druk in een bereik vanaf 800 mbar tot 1300 mbar resulteert in een stabiele plasmaboog.

De verwarmingsruimte van de verwarmingsinrichtingen volgens de uitvinding is bij voorkeur omgeven door een leidingenstelsel waardoor een vloeibaar medium, bijvoorbeeld water, kan stromen. Bij voorkeur is het leidingenstelsel van de warmtewisselaar te koppelen aan een bestaand leidingenstelsel van een verwarmingssysteem, bijvoorbeeld aan een bestaand waterleidingsysteem behorende bij een conventionele verwarmingsinrichting dat door de kamers in een huis loopt.

Het verschil tussen de verwarmingsinrichtingen volgens de uitvinding en de inrichtingen die zijn beschreven in UA81989 en DE3735341, zie hierboven, is dat in verwarmingsinrichtingen volgens de uitvinding het water in de richting van de ruimte tussen de kathode en de mondstukwand wordt geleid en daardoor het stoom dat ontstaat de mogelijkheid krijgt om invloed uit te oefenen op de plasmaboog. Hierdoor kan waterstofgas ontstaan dat als plasmagas kan worden gebruikt. De leidingen in de inrichtingen die zijn beschreven in UA81989 en DE3735341 leiden het water in de richting van de verwarmingsruimte waar de stoom die daar ontstaat geen invloed kan uitoefenen op de sterkte en vorm van de plasmaboog en waarbij eventueel waterstofgas dat ontstaat niet als plasmagas kan dienen.

In een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding functioneert de mondstukwand ten minste gedeeltelijk als een anode en omvat het verwarmingssysteem tevens een spanningsbron, welke spanningsbron in gemonteerde toestand is aangesloten op de kathode en is geconfigureerd voor het leveren van een gelijkspanning tussen de kathode en het als anode functionerende deel van de mondstukwand van 160-190 Volt.

Bij voorkeur omvat de verwarmingsinrichting regelmiddelen voor het instellen van deze gelijkspanning tussen 160 en 190 Volt. De spanning dient voldoende hoog te zijn voor het behouden van een stabiele plasmaboog maar zodanig laag te zijn dat de verwarmingsinrichting zo min mogelijk elektrische energie verbruikt. In een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding varieert de stroomsterkte bij een gelijkblijvende spanning tussen 4 en 9 ampère. Als alternatief of daarnaast kan de verwarmingsinrichting regelmiddelen voor het reguleren van de stroomsterkte omvatten. De spanningsbron kan daarmee op basis van gelijkblijvende stroom functioneren waarbij de spanning kan variëren, bij voorkeur tussen 160 en 190 Volt.

Er is gevonden dat de plasmatron met een dergelijk mondstukwand een plasmaboog genereert die zo veel mogelijk wordt verspreid, met andere woorden zo breed mogelijk is en zich zo veel mogelijk in de verwarmingsruimte uitstrekt, en ook nog stabiel blijft.

Doordat de mondstukopening groter is dan bij een conventionele plasmatron, kan er meer stoom door de mondstukopening worden gedreven waardoor de plasmaboog, en de hitte die daaruit voortkomt, beter kan worden verspreid. De hitte van de plasmaboog kan daardoor beter aan het medium in de verwarmingsruimte worden afgegeven. Dit is niet alleen van belang voor de efficiëntie waarmee de plasmatron het medium kan verwarmen maar is ook van belang om materiaalschade te voorkomen en een verwarmingsruimte met praktische afmetingen mogelijk te maken.

Een onverwacht voordeel van een plasmatron met een dergelijk mondstukwand is dat deze minder elektrische energie verbruikt dan dezelfde plasmatron met een conventioneel mondstukwand. Mogelijkerwijs verhoogt de grotere dwarsdoorsnede van de mondstukopening de elektrische weerstand tussen de kathode en het als anode functionerende deel van het mondstukwand.

Een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding heeft een verwarmingsvermogen dat vergelijkbaar is met dat van een reguliere verwarmingsinrichting die aardgas gebruikt. Dit uitvoeringsvoorbeeld is met de huidige aardgasprijs ten aanzien van verbruikskosten gunstiger dan een gebruikelijke verwarmingsinrichting die aardgas gebruikt. Zie ook een beschrijving van dit uitvoeringsvoorbeeld aan het einde van het deel: Beschrijving van de figuren.

In een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding wordt de verwarmingsruimte begrensd door een verwarmingsruimtewand omvattende ten minste één verwarmingsruimtewandopening, waarbij een minimale afmeting van de dwarsdoorsnede van de verwarmingsruimtewandopening ten minste 2 maal groter is dat een maximale afmeting van een dwarsdoorsnede van het mondstukwand. Een dergelijke grote verwarmingsruimtewandopening is gunstig voor het controleren van de door de plasmaboog gegenereerde hitte.

In weer een ander uitvoeringsvoorbeeld van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding steekt de plasmatron zodanig door de verwarmingsruimtewandopening dat deze zich voor een groot deel buiten de verwarmingsruimte bevindt en de mondstukwand zich in de nabijheid van de verwarmingsruimtewandopening bevindt.

Het zich buiten de verwarmingsruimte bevindende deel van de plasmatron omvat bij voorkeur een groot deel van de zich in een van de mondstukopening afgekeerde richting door de leiding uitstrekkende kathode, zodanig dat de warmte van de kathode door beweging van de vloeistof, bij voorkeur water, aan een omgeving buiten de verwarmingsruimte kan worden afgegeven. De uitvinder heeft ontdekt dat wanneer de plasmatron zich grotendeels in de verwarmingsruimte bevindt, de temperatuur in de plasmatron een drempelwaarde overschrijdt, welke drempelwaarde is ingesteld om materiaalschade te voorkomen.

In een uitvoeringsvoorbeeld is de verwarmingsruimte zodanig gevormd dat een afmeting van een dwarsdoorsnede van de verwarmingsruimte niet groter is dan 150 cm. Bij voorkeur is een afmeting van een dwarsdoorsnede van de verwarmingsruimte niet groter dan 75 cm. Omdat de plasmaboog van de plasmatron volgens de uitvinding voldoende verspreid wordt, is het mogelijk dat de verwarmingsruimte slechts een beperkte afmeting heeft. Door de verspreiding van de plasmaboog is de hitte minder geconcentreerd en wordt het materiaal van de verwarmingsruimtewanden die de verwarmingsruimte begrenzen niet aan overmatige temperaturen blootgesteld. Het voordeel van een dergelijke verwarmingsruimte is dat het verwarmingssysteem, waarvan de verwarmingsruimte de meeste ruimte inneemt, dezelfde ruimte inneemt als een conventionele verwarmingsinrichting die aardgas gebruikt en deze daarom gemakkelijk kan vervangen.

Korte beschrijving van de figuren

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van niet-beperkend uitvoeringsvoorbeelden van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding. Daarin toont: figuur 1 een schematische weergave van een dwarsdoorsnede van een plasmatron van een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding; figuur 2 een schematische weergave van een dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarmingsinrichting volgens de uitvinding; figuur 3 een schematische weergave van een bovenaanzicht van een mondstukwand van een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarrningsinrichting volgens de uitvinding, en figuur 4 schematische weergave van een dwarsdoorsnede van een mondstukwand van een uitvoeringsvoorbeeld van een verwarrningsinrichting volgens de uitvinding.

Beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding

In figuur 1 is een plasmatron (1) getoond die de warmtebron vormt van een in figuur 2 schematisch getoond uitvoeringsvoorbeeld van een verwarrningsinrichting (10) volgens de uitvinding. De plasmatron (1) omvat een mondstukwand (4), een kathode (13) en een vloeistofreservoir (17). De kathode (13) is concentrisch opgenomen in een uit glas of kwartsglas vervaardigd buisvormig deel (16), welke buisvormig deel (16) vervolgens in de leiding (15) in de plasmatron (1) is opgenomen. In de leiding (15) kan water worden opgenomen. Te zien is dat het buisvormig deel (16) zodanig ten opzichte van de leiding (15) en de kathode (13) is gepositioneerd dat tussen de kathode (13) en het buisvormig deel (16) en tussen het buisvormig deel (16) en de verwarmingsruimtewand van de plasmatron (1) die de leiding (15) definieert water aanwezig kan zijn. De kathode is voorzien van verbindingsmiddelen (19) voor het ten opzichte van het buisvormig deel fixeren van de kathode, in dit uitvoeringsvoorbeeld een rubberen huls met ribbels. De pijl die de verbindingsmiddelen (19) aangeeft is naar een van deze ribbels gericht.

Figuur 2 toont de positionering van de plasmatron (1) ten opzichte van een verwarmingsruimte (2) die is omgeven door waterleidingen (20) waardoorheen bijvoorbeeld water kan stromen. Bij voorkeur zijn de waterleidingen (20) aansluitbaar op een bestaand waterleidingensysteem behorende bij een conventionele verwarrningsinrichting. Te zien is dat de zeer schematisch weergegeven plasmaboog in de verwarmingsruimte wordt gedreven en daar zijn warmte kan afgeven. In de beschrijving is genoemd dat de plasmaboog zodanig is verspreid dat deze geen materiaalschade veroorzaakt. Teneinde de water of waterbevattende vloeistof in de leiding (15) voldoende de kans te geven om de kathode (13) te koelen, is het deel van de plasmatron, waarin de kathode (13) en het buisvormig deel (16) zich uitstrekken, buiten de verwarmingsruimte (2) gepositioneerd.

In de figuren 3 en 4 is het mondstuk (3) vergroot weergegeven. Figuur 3 toont een bovenaanzicht van het mondstuk (3) waarin de afgeplatte rand te zien is, zie ook Fig. 2. In figuur 4 wordt een dwarsdoorsnede van de mondstukwand (4) getoond, genomen langs de stippellijn in figuur 3, maar dan sterker uitvergroot. Figuur 3 toont dat voor het weergegeven mondstuk (3) de tweede lengte (11) van de dwarsdoorsnede van de mondstukopening (5) 1,7 maal groter is dan de breedte (12) van de dwarsdoorsnede van de mondstukopening (5). Figuur 4 toont duidelijk dat de verhouding van de maximale diameter (6) van de dwarsdoorsnede van de mondstukopening (5) ten opzichte van een eerste lengte (8) van de mondstukopening (5) groter dan 2 is, meer specifiek ongeveer 4 is.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding dat de voorkeur verdient heeft een opstelling zoals in figuur 2, een plasmatron zoals in figuur 1 en een mondstukwand zoals in figuur 3 en 4 weergegeven. Wanneer een gelijkspanning van 160-190 Volt wordt aangehouden, is dit uitvoeringsvoorbeeld ten aanzien van zijn verwarmingsvermogen gelijkwaardig aan een gebruikelijke verwarmingsinrichting die als warmtebron aardgas gebruikt. Het benodigde vermogen voor een continue plasmaboog, dat wil zeggen wanneer de verwarmingsinrichting continu “aan” staat, is voor dit uitvoeringsvoorbeeld 0,6 kW - 1,7 kW. Wanneer de huidige gasprijs in aanmerking wordt genomen, zijn de verbruikskosten van dit uitvoeringsvoorbeeld lager dan een gebruikelijke verwarmingsinrichting die als warmtebron verbranding van aardgas gebruikt. Naast de lage verbruikskosten zijn ook de productiekosten van een dergelijke verwarmingsinrichting zeer laag.

Claims (17)

1. Plasmatron (1) voor het verwarmen van een gas, in het bijzonder lucht, welk gas zich in een verwarmingsruimte (2) bevindt, omvattende een mondstuk (3), welk mondstuk (3) een mondstukwand (4) en een in de mondstukwand (4) aanwezige mondstukopening (5) omvat, met het kenmerk, dat de verhouding van een maximale diameter (6) van een dwarsdoorsnede van de mondstukopening (5) ten opzichte van een eerste lengte (8) van de mondstukopening (5) groter dan 2 is.

2. Plasmatron (1) volgens conclusies 1, met het kenmerk, dat de dikte (9) van de mondstukwand (4) in hoofdzaak gelijk is aan de eerste lengte (8) van de mondstukopening (5) en niet groter is dan 3 mm.

3. Plasmatron (1) volgens conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat de mondstukopening (5) een niet-cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft.

4. Plasmatron (1) volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de mondstukopening (5) een langwerpige dwarsdoorsnede heeft, waarbij de tweede lengte (11) van de dwarsdoorsnede ten minste 1,3 keer groter is dan de breedte (12) van de dwarsdoorsnede.

5. Plasmatron (1) volgens conclusies 4, met het kenmerk, dat de eerste lengte (8) van de dwarsdoorsnede 3 - 5 mm is en de breedte van de dwarsdoorsnede 1 - 2,5 mm is.

6. Plasmatron (1) volgens één van de conclusies 1 - 5, met het kenmerk, dat deze tevens een kathode (13), een ruimte (14) die zich tussen de kathode (13) en de mondstukwand (4) bevindt, en een leiding (15) voor het in de richting van de ruimte (14) leiden van water of een waterbevattende vloeistof omvat.

7. Plasmatron (1) volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de kathode (13) zich in een van de mondstukopening (5) afgekeerde richting door de leiding (15) uitstrekt.

8. Plasmatron (1) volgens één van de conclusies 1 - 7, met het kenmerk, dat deze een uit glas of kwartsglas vervaardigd buisvormig deel (16) omvat waarvan een binnendiameter van het buisvormig deel (16) groter is dan, of gelijk is aan, een maximale buitendiameter van de kathode (13), waarbij in gemonteerde toestand het buisvormig deel (16) in de leiding (15) is opgenomen en de kathode (13) in het buisvormig deel (16) is opgenomen, zodanig dat in functionerende toestand de vloeistof die zich in de leiding (15) bevindt heen en weer kan bewegen van een binnenzijde van het buisvormig deel (16) naar aan een buitenzijde van het buisvormig deel (16).

9. Plasmatron (1) volgens één van de conclusies 1 - 8, met het kenmerk, dat deze een vloeistofreservoir (17) omvat, welke vloeistofreservoir (17) geschikt is voor het houden van water of een waterbevattende vloeistof en in vloeistofverbinding staat met de leiding (15).

10. Ven/varmingsinrichting (10) omvattende een verwarmingsruimte (2) en een plasmatron (1) volgens één van de voorgaande conclusies 1 - 9 voor het verwarmen van een gas, in het bijzonder lucht, welk gas zich in de verwarmingsruimte (2) bevindt.

11. Verwarmingsinrichting (10) omvattende een verwarmingsruimte (2) en een plasmatron (1) volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de verwarmingsinrichting (10) aansluitmiddelen omvat voor verbinding van de leiding (15) met een waterleidingssysteem.

12. Verwarmingsinrichting (10) volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de aansluitmiddelen een drukregulator omvatten voor het creëren van een druk in de leiding in het bereik vanaf 800 mbar tot 1300 mbar.

13. Verwarmingsinrichting (10) volgens één van de conclusies 9-12, met het kenmerk, dat de mondstukwand (4) ten minste gedeeltelijk als een anode functioneert en het verwarmingssysteem tevens een spanningsbron (18) omvat, welke spanningsbron (18) in gemonteerde toestand is aangesloten op de kathode (13) en is geconfigureerd voor het leveren van een gelijkspanning tussen de kathode (13) en het als anode functionerende deel van de mondstukwand (4) van 160-190 Volt.

14. Verwarmingsinrichting (10) volgens één van de conclusies 9-13, met het kenmerk, dat de verwarmingsruimte (2) wordt begrensd door een verwarmingsruimtewand (21) omvattende ten minste één verwarmingsruimtewandopening (22), waarbij een minimale afmeting van de dwarsdoorsnede van de verwarmingsruimtewandopening (22) ten minste 2 maal groter is dat een maximale afmeting van een maximale dwarsdoorsnede van het naar de verwarmingsruimtewandopening (22) toegekeerde uiteinde van de plasmatron (1).

15. Verwarmingsinrichting (10) volgens één van de conclusies 9-14, met het kenmerk, dat de plasmatron (1) zodanig door de verwarmingsruimtewandopening (22) steekt dat deze zich voor een groot deel buiten de verwarmingsruimte (2) bevindt en de mondstukopening (5) zich in de nabijheid van de verwarmingsruimtewandopening (22) bevindt.

16. Verwarmingsinrichting (10) volgens één van de voorgaande conclusies 9-15, met het kenmerk, dat de verwarmingsruimte (2) zodanig is gevormd dat een afmeting van een dwarsdoorsnede van de verwarmingsruimte (2) niet groter is dan 150 cm.

17. Verwarmingsinrichting (10) volgens één van de voorgaande conclusies 9-16, met het kenmerk, dat de verwarmingsruimte (2) zodanig is gevormd dat een afmeting van een dwarsdoorsnede van de verwarmingsruimte (2) niet groter is dan 75 cm.