DE1514440A1 - Plasmabrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Plasmabrenner zum Aufheizen von Gasen in einer Lichtbogenkammer, in der ein Lichtbogen zwischen Elektroden umläuft.

In einem aolchen Plasmabrenner wird ein Kontinuierlicher Gasstrom in einem Lichtbogen erhitzt, wobei die Enthalpie des Gases erhöht wird. Bringt man das Gas mittels einer Lavaldüse auf hohe Strömungsgeschwindigkeit, so kann man nach diesem Prinzip Strahlenantriebe bauen, sowie Windkanäle versorgen. Andererseits lassen sich die hohen "Gärtemperaturen auch unmittelbar - wie beispielweise fUr

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qhealache Reaktionen - auenutzen. '

HasäAbrtnner mit rotierendem Lichtbogen sind zum UnMt ζ en honex Leistung besonders geeignet, da sich eine örtliche überhitzung der Ijlektjroden, die von einem Verdampfen des Elektrodenmaterial«begleitet sein kann, verhindern läßt. Eine verhältnismäßig große Elektrodenoberflache kann durch Wasser ausreichend gekühlt werden, wenn man die Fußpunkte des Lichtbogens mit hoher Geschwindigkeit Über die Elektrodenoberflächen rotieren läßt. Da3 kann man durch Anlegen einea Magnetfeldes erreichen, dessen Feldlinien senkrecht zum Lichtbogen verlaufen. Rotierende Lichtbögen sind vor allem dann anzuwenden, wenn bei aggressiven Arbeitsgasen Elektroden aus ijchwermetallen wie Yolfram nicht eingesetzt werden können, sondern niedrig schmelzende Ifetalle wie Kupfer zu verwenden sind.

Bei Plasmabrennern und insbesondere bei solchen mit rotierendem Lichtbogen tritt das Problem auf, einen möglichst großen Anteil der Gasmengen durch die Lichtbogenzone zu führen und das gesamte «Arbeitsgas danach möglichst gut zu vermischen. Prinzipiell kann man den Lichtbogen zwißchen koaxialen Zylinderelektroden radial brennen lassen oder zwischen gleichgroßen Zylinderelektroaen, die einander axial gegenüberstehen, in axialer Richtung. Bei beiden Ausführungen wird der Lichtbogen vom Gasstrom im wesentlichen senkrecht durcheetzt.

Bei Plasmabrennern besteht oft das Bedürfnis, die im'Brenner umgesetzte Leistung, also die Lichtbogeniange, im Betrieb zu verändern.

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Dar Tlirfindung ilogt nun die Erkenntnis ßußrundo, daß bei vergrößerter¹! Liektrodenabotand und konstanten GatKlurcIisatu dio nicdrißoro GaonlTönungfjgoechY/indißkeit doa LiolitTiOiron oincn erößeron Quepochnitt olnnchmon 1IiQt₉ dor der Iiointiuictmtelßßrung entgeßenwirkt* .7rhüht.nön nndprorooito don Gacaurchnata, um die bifilieriße ßtrU-multi;niieocliivindißl:oit in dor ticIitüo^onconQ beizubehalten· oo qu3 eine ßrößero Gaomeng© aufßchoißt werden· Boidc Effelcto wirken dor i\-mnoraturerhöhunß

T.ii v.-ird ala Aufgabe nnccoohon, die Loiatung doo Pltioraabronnfere in v.'anrentliclicn konnten!on) Eloklrodenabotnnd vrirkoam cu boeinflueoon» P.ibüi soll auch dia mittlero Gnantongo» dio durch die uulnufonft· uiU in dio ßrclto veroohmiorto Liclitbo^oriEono hlndurehtritt» woitaehond koncUmt cohaltun v;ordon· Dio tUouna "diobor Aufjpbe geltnßt \)0l riasmabrcnnornsua Aufholzen von Gnaon in elnar LichtbOüenknnraür, in der ein Lichtbogen euloehcn Blektrodon luoltluft, die einen konlrchen nincepalt olo Enßotollo in der Got;zuführung ßua Ltchtboctn. bild on, ceiulfi der Urfindunij dndurch, daß dsr koniacho Rinßopalt in :>oinor Veite durch einen Otelltriob verlinderinr .iet und daß vor dom

Suführuncon für Arbeito^ao in nichtunc der Lichttnngentinl nUtidr.n· Dadurch knnn ein

allein durch die Gasotr^i-unü hcrbeicefülirt trrerden. BoI d v.'ird der Mchtbo^nunilMuf unterctUtat.

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Dar» Arbeitaßne wird über relativ lan:;o Seit eehrä£ durch don . lichthcjjoii ^oiührt. Booondern v/eacntlich ist jedoch boi olnon Hrcnncr r.vit einer Eylinderelaktrodc 'nlt koniochem An«€itr., ir\ <iio eine axial vcri5tollb.?.re "cntralolehtrcdo eingepaßt int, dßß in Abhüi]{;i£keiu von der Breite deö l:onucfUrniiscn Hingspalteo awisclion den Blcktrorlea der■ IiicIitbosenfuSpnnkt auf der Eylinderelektrode in Cscstroa von dor Zeatralclel:trodo fort^oblccon v/ird, wodurch iiich diu in dor iiclitbor^nkc^aor uzjvjonctßto Loißtunß boi konstant on Gaodurchcata verändern lütt." Dnboi vcrbroitcrn Betricbainotabili- % fiten in erwünschter 'noicc die prcubroito den Lichtbojcna auf der Zylindorolektrode.

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Haeh eintffl bekannten Vorschlag ißt bereite vorgesehen, zwei zuein-, ander starr angeordnete Elektroden ao auszubilden, daß eine Zentrale elektrode mit einer im wesentlichen zylindrischen Elektrode einen konusförmigen Bingepält in dtr GaszufUhrung zum Lichtbogen bilden. Diese Anordnung hat aber den wesentlichen Nachteil, daß die Lichtbogenleistung, nur Über den Gasdurchsatz bteinflußt werden kann.

Weitere für di· Erfindung wesentlichen Merkmale sollen anhand einea iß der Zeichnung schematisch dargestellten AuefUhrungsbeispiels näher erläutert werden. _f ■

Der Plasmabrenner iat in der Zeichnung eo dargestellt, wie er nach einem axialen Schnitt gesehen wird. Eine Zylinderelektrode I hat einen konischen Anaatz 2,in den eine Zentralelektrode '5 rait ihrem konischen Uchulteransatz 4 eingepaßt ißt. Kin //inkel von 60° zwischen Konuewand und Zylinderachse hat sich alE besonders zweckmäßig erwiee-en.Die Zentralelektrode ist zur Lichtbogenkammer zu tellerförmig ausgebildet und hat einen Rinjgrand 6,von dem der Lichtbogen 7 zur Zylinderelektrode 1 brenn.t. Mit 8 ist die Zylinderachse Dezeichnet. Der konische Ringspalt zwischen den ülektrüdenansiitzen 2 und 4 geht in einen erweiterten im wesentlichen zylindrischen Ring 9 mit mehreren oder einem tangential mündenden Zuführungsrohr 10 zum Zuleiten eines Arbeitsgaees über. Die Zentralelektrode 3 hat eine Halterung 11, die in einem Halsstück: \2 axial verstellt werden kann, wie es durch den Doppelpfeil 13 angedeutet ist. Mit 14 ist eine ringförmige Erregerwicklung bezeichnet. Bei Erregung bringen die in der Lichtbogenkammer 5 axial verlaufenden Feldlinien den Lichtbogen 7 zur Rotation.

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Das Magnetfeld wirkt dabei besonders auf den Lichtbogenfußpunkt ein, der die größere Umlaufbahn beschreibt.

In der Zylinderelektrode 1» die auo einem gut wärmeleitenden Material, das wie Kupfer magnetisch nichtleitend ist, gefertigt sein kann, sind Kiihlspalte 15 vorgesehen. Sie können die dargestellte Mäanderform aufweisen und über einen Ringverteiler 16 und einen Ringsammler 17 mit Kühlmitteleinlaß 1b und KUhlmittelaualaS 19 an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Als Kühlmittel kann im einfachsten Pail Wasser verwendet werden. Die Zylinderelektrode 1 ist mit üchrauben 20 an einem Ansatz 2, der aus Messing bestehen kann, angeschraubt. Die Zylinderelektrode 1 ist gegen den Ansatz 2 und durch einen Isolierkörper 21 mit der Form eines Topfrandes elektrisch isoliert. Alt Isoliermaterial kann Keramik oder ein Material auf Glimmerbasie,sowie temperaturbeständige Kunststoffe, wie Polytetrafluoräthylen verwendet werden. Nach Lösen der Schrauben 20 kann die Zylinderelektrode jederzeit leicht ausgewechselt werden. Ein Ringspalt 22 vervollständigt die elektrische Isolation gegen das Ansatzstück 2. In den Ringcpait 22 eindringendes Arbeitngas wird stark gekühlt und bildet einen verhältnismäßig guten Isolator. Das Isoliermaterial 21 ist gegen Hitzestrahlung des Lichtbogens und des aufgeheizten Gases optisch verdeckt angeordnet. Das ist deshalb wichtig, da elektrisches Isoliermaterial im allgemeinen auch ein schlechter Wärmeleiter ist und · deshalb nicht ausreichend gekühlt werden kann, wenn es der Lichtbogenstrahlung direkt ausgesetzt ist. In dem Ansatzstück 2 sind die KUhlkanäle mit 2? bezeichnet. Zum Anschließen an einen Kühlmittelkreislauf dienen Rohre 24 und 25.

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An den Ansatz 2 mit der Konuaeehulter schließt eich ein Hohlzylinder 26, beispielsweise wieder aus Messing on, der mit dem- Ansatz verlötet sein kann. Der Hohleylinder 2$ begrenzt mit der Zentralelektrode 3 und der Zylinderwand 26 «inen Gaaverteilerringraum 9. Ein Hai8stück 12 let durch einen Ieolierring 27 der dargestellten Form gegen den Hohlzylinder 26 elektrisch isoliert, aber gasdicht mit diesem verbunden. Die Verbindung kann durch Schrauben 29 er«ieIt werden» die durch Hohrmanechetten aue Isoliermaterial geschützt eino.

In dem IialsstUck 12 gleitet der äußere Mantel 30, der um die Halterung 11 der Zentralelektrode 5 .angeordnet ist. Er kann ebenfalls aus einem Material wie Messing bestehen und Int gepen die spannungsführende Halterung 11 durch einen Ieolierftantel 31 tlektriEch isoliert. Ein Kühlmittel kann in einem Doppelrohrsystem der dargestellten Art der Zentralelektrode 3 zugeführt werden. Purch einen Profilring J2_t teirpielBweiöe aus Mesoing, wird der eigentliche El ekt ro den ringdurch hohe otröraunßegtechwincJigkelt in eineci schjnalen Spalt gut gekühlt, /ilektrodenrlnf uno teil er for mi pe Verbindung können aus einem fut wfirmele it enden Material wie Kupfer gefertigt sein. l)as Kühlmittel kann dci l'nlterunf 11 durch das Innenro.hr 33 zugeleitet wem en unu iUer den i'amne lkar.il 44 in detc Kopfstück 45 abgeleitet vveruen. Dietem Kopfctück 4^cj wiin gleichzeitig daa Potential der :^!prir.nunirEque-ile 46 für den Lichtbogen 7 angelegt. Mittels einer

tPl !schraube 47, deren Kiamiaerbmcken'48 die Halterung 11 umschließen, Kann die Zentralelektrode 2 in axialer Richtung veretelIt werden. D-jdurch wird der Konuucpalt zu!sehen den Schulteraniiteen 2 und 4 verbreitert bzw. verKleinert. ■

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Man kann die Rohre 10 für die GaszufUbrung in die Verteilerkammer tangential so einmünden lassen, daß der Drall dee Arbeitsgaaes die ' Lichtbogenrotation unterstützt. Da der Konusspalt unmittelbar am Lichtbogen mündet, lassen oich dabei so hohe Brallgeschwindigkeiten erzielen, daß man auf ein Magnetfeld, für die Lichtbogenrotation verzichten kann. Das kann einen wesentlichen .Vorteil in den Fällen bedeuten, in denen man Gewicht oder Energiequellen einsparen mu3. Andererseits kann man bei starken Magnetfeldern durch ein Einführen der Zuleitungsrohre 10 in einer zur Lichtbogenrotation entgegengesetzten Richtung die durch die Lichtbogenzone geführte Gasmenge erhöhen. Dadurch gewinnt man den Vorteil, daß höhere Gastemperaturen erzielt werden können.

Die ringförmige Erregerwicklung 14 wird durch einen Generator· 4 9 erregt. 3ie erzeugt in der Lichtbogenkammer 5 ein im wesentlichen axiales Magnetfeld. Εε ist verständlich, daß im Bedarfsfall, wenn stärkere Magnetfelder benötigt werden, oder auf einen weiteren Bereich auf den Lichtbogen einwirken sollen, zwei Hinpwick lungeη angeordnet werden können, die in der Lichtbogenkammer 0 fin Juspfeld erzeugen.

S Patentansprüche
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Claims (1)

1. 6.6.1968

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   151444Θ

   llcue Patentansprüche

   1. ?lcor;albronnor bu» Aufweisen-von Craaca'-in einer Mchtl)OG"cnkar:?r.ier_t In der ein Xichfbogon awioclica Elolcirodcti imlüuft, die einon l::anlGclien Rinrjopalt als Endstelle in dor■ GascuftUirun^ aua'liciiibo^;cn biläon, dadurch ^olconnzeiciinct, daß dar konicchG Ilin;--spait in ßoißor Vieito durch einen. Stelltricb vcrJ.Uirlerbciir lot und der; vor den Könuorinj::?alt Zufüliruiison für Arboito^ao in Ilichtun.::; cloi* liphtboßenrotatlon tancontinl ailndon.

   ?.· Pla;-::;:r/orcrinor nach Anspruch 1» dadurch colzvnii2elchno^» da'i in ciat: Sj-lin.adi*olektrodc lait kpnitschoia Ar.eata eine· cr.ial vc.:.-tcll~

   cIe ninr;epa"t int.

   3. ria.-:.;:r^ircnnor nach Anspruch 1, dadurch öol"x^^5^ichiiot, (!λ,"-; der i:o.üoaho-Kinsnpalt swioeacn dca julc'itrodcnriacütaon in einon or- M 'ν..·!-erteil, in v/caontliohoa sjlinclriöclicn ilin^roun r.it taiijonti r.kindan..lcn Suxüliruajsrohron jTllr .Arcoitnjaö ül»cr^^ht·

   4, :>1;-.'vVi'lroiincr nach Annpniaa 1, £C]:cnn::Gici;ii'..:t durch cinon V.'inl-:cil v.:-r. CO⁰ ::v;i£ichori KQau::v;r.nd vaiC. eier Z;/liE.ucrac':i3O·

   l^:l:tf;:.ir.*tjroniior nach άοη Annpräciicn 1 unil 2 und cino.:i eier vo i!.:.-\.;::Ii':r!cloa Anapr'icho, dadurch r^-::y:v:.z-;l.al:iae-i, ::::.."; u;:r Jiicl

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