BE1019026A3

BE1019026A3 - METHOD AND DEVICE FOR GENERATING ENERGY USING A PLASMAJET GENERATOR.

Info

Publication number: BE1019026A3
Application number: BE2009/0545A
Authority: BE
Original assignee: Ecoplasma Bvba
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2012-01-10

Abstract

Elk type plasma-jet genererend apparaat hetzij gas gestabiliseerd, hetzij water gestabiliseerd, hetzij water/gas gestabiliseerd, hetzij DC gevoed, hetzij DC/AC gevoed. Meer in het bijzonder een plasma-jet genererend apparaat met inbegrip van een toorts centrum elektrode, een eerste voeding en een vortex debiet/ontlading eenheid. De eenheid omvat een tweede voeding, een gas wisselklep mondstuk en een vortex debiet kamer. De tweede voeding wordt gebruikt om een hoge temperatuur en een hoog vermogen plasma-jet te creëren. De vortex flow generating nozzle is ontworpen om de contacttijd tussen de reactanten en de plasma-jet in belangrijke mate te laten toenemen waardoor de energie noodzakelijk voor de omvorming veel lager is. De vortex flow kamer, samen met het gas wisselklep mondstuk, is ontworpen om de plasma-jet bij het verlaten uit de gas wisselklep mondstuk een thermisch pinch effect te creëren.Any type of plasma jet generating device whether gas stabilized, water stabilized, water / gas stabilized, DC fed, or DC / AC fed. More specifically, a plasma jet generating device including a torch center electrode, a primary power supply and a vortex flow / discharge unit. The unit includes a second feed, a gas diverter valve nozzle and a vortex flow chamber. The second power supply is used to create a high temperature and high power plasma jet. The vortex flow generating nozzle is designed to significantly increase the contact time between the reactants and the plasma jet, so that the energy required for the transformation is much lower. The vortex flow chamber, together with the gas diverter valve nozzle, is designed to create a thermal pinch effect on the plasma jet as it exits from the gas diverter valve mouthpiece.

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET GENEREREN VAN ENERGIE MET BEHULP VAN EEN PLASMAJET GENERATORMETHOD AND DEVICE FOR GENERATING ENERGY USING A PLASMAJET GENERATOR

ACHTERGROND VAN DE UITVINDINGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebied van de uitvinding1. Field of the invention

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op fundamentele wijzigingen op een plasma-jet genererend apparaat, waarbij een nieuwe methode wordt gebruikt met als doel een hoger totaal rendement van de operatie te bekomen.The present invention relates to fundamental changes to a plasma jet generating device, using a new method with the aim of achieving a higher overall efficiency of the operation.

In een plasma-jet genererend apparaat wordt een elektrische vlamboog gevormd tussen een elektrode en een nozzle (sproeier mondstuk) elektrode. De aldus gevormde elektrische vlamboog is dan gebonden in het mondstuk met de hulp van het werkende gas en onder een thermisch pinch (knijp) effect voor de lozing van een hoge temperatuur plasma-jet uit de nozzle.In a plasma jet generating device, an electric arc is formed between an electrode and a nozzle (nozzle nozzle) electrode. The electric arc thus formed is then bound in the nozzle with the aid of the working gas and under a thermal pinch (pinch) effect for the discharge of a high temperature plasma jet from the nozzle.

Een plasma-jet kan een zeer hoge energie bevatten, in de vorm van een temperatuur tot 104K en hoger en kan exit center snelheden bereiken tot 104 m/sec. Het gebruik van plasma-jets kan op grote schaal worden toegepast voor de industrie, techniek, en dergelijke. Plasma-jets worden in de industrie gebruikt voor : plasma snijden, lassen van roestvrijstaal, legeringen of andere metalen, coaten van metalen en keramiek, smelten en raffineren van zuivere metalen en legeringen, scheikundige hoge temperatuur reacties van polymeren enz., smelten van ertsen in de metallurgie, smelten van metaal draad als voorbehandeling bij coating, productie van thermische energie enz.A plasma jet can contain very high energy in the form of a temperature of up to 104K and higher and can reach exit center speeds of up to 104 m / sec. The use of plasma jets can be widely used for industry, technology, and the like. Plasma jets are used in industry for: plasma cutting, stainless steel welding, alloys or other metals, coating of metals and ceramics, melting and refining of pure metals and alloys, chemically high temperature reactions of polymers, etc., melting of ores in metallurgy, melting of metal wire as pre-treatment in coating, production of thermal energy, etc.

Recent worden thermische plasma-jet generatoren meer en meer gebruikt voor de omvorming van reactanten zoals het omvormen van toxische grondstoffen tot bruikbare brandstoffen, grondstoffen vergassen tot een synthesegas voor de productie van energie, opwaarderen van rookgassen met als doel de toxische elementen te neutraliseren door de temperatuur van het rookgas te doen stijgen, vernietiging van oorlogsmunitie. Deze plasma-jet genererend apparaten worden ook gebruikt als thermische processen in de nucleaire industrie voor de verwerking, conditionering,.....van nucleair afval en in andere nucleaire toepassingen, enz.. Vele van deze toepassingen betreffen enorme volumes. Optimalisatie van het totale energie gebruik zal tot belangrijke besparingen leiden.Recently plasma plasma generators are increasingly being used for the transformation of reactants such as the transformation of toxic raw materials into usable fuels, gasification of raw materials into a synthesis gas for the production of energy, upgrading of flue gases with the aim of neutralizing the toxic elements by increase the temperature of the flue gas, destruction of war ammunition. These plasma jet generating devices are also used as thermal processes in the nuclear industry for the processing, conditioning, ... of nuclear waste and in other nuclear applications, etc. Many of these applications involve huge volumes. Optimization of the total energy use will lead to important savings.

2, Prior art - Stand der techniek2, Prior art - State of the art

Plasma-jets bereiken hoge temperaturen in het leveren van warmte-energie maar afhankelijk van het type is er een belangrijk energetisch verlies bij de omvorming van electrische naar thermische energie en ook de keuze van de plaats waar de reactanten worden omgevormd, dit is meestal na koeling van de plasma-jet en buiten de plasma-jet generator waardoor opnieuw energie verliezen optreden.Plasma jets reach high temperatures in supplying heat energy, but depending on the type there is an important energy loss in the conversion from electrical to thermal energy and also the choice of the place where the reactants are transformed, this is usually after cooling from the plasma jet and outside the plasma jet generator, causing energy losses again.

In de stand der techniek hebben gas gestabiliseerde plasma-jet generatoren type Ph. Rutberg een energetisch verlies tussen de 15 en 30%. Water en water/gas gestabiliseerde plasma-jet generatoren type M. Hrabovsky hebben een energetisch verlies tot +50%. De indirekte koeling van de plasma-jet generator is voornamelijk verantwoordelijk voor dit belangrijk rendementsverlies.In the state of the art, gas-stabilized plasma jet generators have type Ph. Rutberg an energetic loss between 15 and 30%. Water and water / gas stabilized plasma jet generators type M. Hrabovsky have an energy loss of up to + 50%. The indirect cooling of the plasma jet generator is mainly responsible for this important loss of efficiency.

De huidige uitvinding is in feite een verderzetting op het idee waarbij verschillende elektrodes trapsgewijs in tandem worden samengebouwd met als doel een krachtige plasma-jet te produceren zonder de cathode over te belasten. Arata Yoshiaka omschreef dit idee in het applicatie nummer 748.421 (US Patent 4.620.080) (JP 59-132783) met de titel “ Plasmajet generating apparatus with plasma confining vortex generator” .The present invention is in fact a continuation of the idea that different electrodes are assembled stepwise in tandem with the aim of producing a powerful plasma jet without overloading the cathode. Arata Yoshiaka described this idea in application number 748,421 (US Patent 4,620,080) (JP 59-132783) with the title "Plasma jet generating apparatus with plasma confining vortex generator".

De contacttijd tussen de om te vormen reactanten en de hoge temperatuur geproduceerd door de plasma-jet is in de huidige stand der techniek voor vele toepassingen bijzonder kort, als het ware enkele fracties van een seconde. Hoe korter de contacttijd hoe groter de energie noodzakelijk om de omvorming te realiseren. De energie noodzakelijk voor de omvorming van reactanten die zeer veel energie vereisen wordt door de bijzonder korte contact tijd te hoog en te duur.The contact time between the reactants to be converted and the high temperature produced by the plasma jet is particularly short for many applications in the current state of the art, as it were a few fractions of a second. The shorter the contact time, the greater the energy required to realize the transformation. The energy required for the transformation of reactants that require a great deal of energy becomes too high and too expensive due to the particularly short contact time.

Mede door het grote energieverbruik en de steeds stijgende energiekost wordt verwacht dat de vraag naar krachtige plasma-jets met een beter totaal energetisch rendement in de nabije toekomst sterk zal toenemen.Partly due to the high energy consumption and the ever-increasing energy cost, the demand for powerful plasma jets with a better total energy efficiency is expected to increase sharply in the near future.

\\

In “Gasification of biomass in water/gas-stabilized plasma for syngas production”.In "Gasification of biomass in water / gas-stabilized plasma for syngas production".

[Produkce syntetického plynu zpiynovânim biomasy v plazmatu stabilizovaném vodou a plynem.] Czechoslovak Journal ofPhysics. Roc. 56, suppl. B (2006), s. 1199-1206. ISSN 0011-4626.[Produkce syntetického plynu zpiynovânim biomasy v plazmatu stabilizovaném vodou a plynem.] Czechoslovak Journal ofPhysics. Roc. 56, suppl. B (2006), s. 1199-1206. ISSN 0011-4626.

Hrabovskÿ, Milan - Konrad, Milos - Kopeckÿ, Vladimir - Hlina, Michal - Kavka,Hrabovskÿ, Milan - Konrad, Milos - Kopeckÿ, Vladimir - Hlina, Michal - Kavka,

Tetyana - Van Oost, G. - Beeckman, E. - Defoort, B. Is het thermisch rendement van de water/gas gestabiliseerde plasma toorts vermeld.Tetyana - Van Oost, G. - Beeckman, E. - Defoort, B. Is the thermal efficiency of the water / gas stabilized plasma torch stated.

In “Water stabilized plasma torch WSP® and hybrid torch WSP®H, omschrijft M. Hrabovsky, Institute of Plasma Physics AS CR Praha, Czech Republic, de principles van een gas gestabiliseerde plasma-jet generator, vloeistof (water) gestabiliseerde plasma-jet generator en een water/gas gestabiliseerde plasma-jet generator.In “Water stabilized plasma torch WSP® and hybrid torch WSP®H, M. Hrabovsky, Institute of Plasma Physics AS CR Praha, Czech Republic, describes the principles of a gas-stabilized plasma jet generator, liquid (water) stabilized plasma jet generator and a water / gas stabilized plasma jet generator.

In ‘Multiphase Stationary Plasma Generators Working on Oxidizing Media” omschrijft Ph. Rutberg, Institute for Electrophysics and Electric Power, Russian Academy of Sciencesl91186, Dvortsovaya nab. 18, St Petersburg, Russia Classification numbers (PACS): 52.75. Hn Plasma torches, 52.50.Dg Plasma sources, het gebruik van de multi phase stationaire gas gestabiliseerde plasma-jet generator.In "Multiphase Stationary Plasma Generators Working on Oxidizing Media" Ph. Rutberg, Institute for Electrophysics and Electric Power, Russian Academy of Sciences191186, Dvortsovaya nab. 18, St Petersburg, Russia Classification numbers (PACS): 52.75. Hn Plasma torches, 52.50.Dg Plasma sources, the use of the multi-phase stationary gas-stabilized plasma jet generator.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDINGSUMMARY OF THE INVENTION

Het doel van deze uitvinding is om een plasma-jet generator te maken met een beter totaal energetisch rendement voor de omvorming van de reactanten dan thans beschikbaar. Het enorme energetisch rendementsverlies wordt voornamelijk veroorzaakt door de indirecte koeling van de plasma-jet, waarbij enerzijds enorm veel warmte samen met de koeling media, meestal water, verloren gaat en anderzijds gebeurt de omvorming van de reactanten buiten het apparaat waardoor opnieuw thermische energie verloren gaat. Een hoge temperatuur plasma-jet generator, met een beduidend beter rendement voor de omvorming van reactanten kan worden geproduceerd door onderhavige uitvinding. Om het bovenstaande doel te bereiken heeft de plasma-jet generator van de onderhavige uitvinding verschillende fundamentele kenmerken: A) Meerdere elektrodes worden gebruikt die aan elkaar zijn gekoppeld. De elektrodes zijn als het ware in tandem geplaatst. Hierdoor kan het vermogen van de plasma-jet generator modulair worden vergroot zonder dat de kathode overbelast wordt.The object of this invention is to make a plasma jet generator with a better total energetic efficiency for reacting the reactants than currently available. The huge energy efficiency loss is mainly caused by the indirect cooling of the plasma jet, whereby on the one hand an enormous amount of heat is lost together with the cooling media, usually water, and on the other hand the reactants are transformed outside the device, whereby again thermal energy is lost . A high temperature plasma jet generator, with a significantly better efficiency for reactant conversion, can be produced by the present invention. To achieve the above object, the plasma jet generator of the present invention has several fundamental features: A) Multiple electrodes are used that are coupled to each other. The electrodes are placed in tandem, as it were. As a result, the power of the plasma jet generator can be modularly increased without the cathode being overloaded.

B) Er wordt een hoge snelheid vortex gas flow (stroom) gebruikt. Zo kan een plasma-jet worden gestabiliseerd mede dankzij het thermisch pinch effect teweeggebracht door de vortex gas flow, die de bescherming van elke individuele elektrode van de plasma-jet generator mogelijk maakt.B) A high speed vortex gas flow is used. A plasma jet can thus be stabilized thanks in part to the thermal pinch effect brought about by the vortex gas flow, which makes it possible to protect each individual electrode of the plasma jet generator.

C) Elke elektrode wordt individueel gevoed door een DC voeding.C) Each electrode is powered individually by a DC power supply.

D) De koeling van de plasma-jet generator gebeurt direct op de plasma-jet zelf waardoor een belangrijk energetisch verlies veroorzaakt door de indirecte koeling gebruikt in de prior art vermeden wordt.D) The cooling of the plasma jet generator is done directly on the plasma jet itself, thereby avoiding a significant energy loss caused by the indirect cooling used in the prior art.

E) De te behandelen reactant zal direct binnenin de plasma-jet generator worden gevoed waardoor de optredende warmte verliezen in de huidige stand der techniek worden vermeden en dit kan op verschillende manieren: a) de reactant wordt door een boring, gemaakt in de kathode 11 axiaal in het center van de plasma-jet gevoed, b) de reactant zal rechtstreeks worden gevoed in de plasma-jet door openingen gemaakt in de binnenwand 14-2, 14-2’ van de vortex flow koelingkamer terwijl de reactant in de koeling kamer wordt gevoed door de openingen 18-2, 18-2’. De reactant gevoed in de vortex flow koeling kamer zal dus bijkomend functioneren als koeling middel om de plasma-jet generator te stabiliseren.E) The reactant to be treated will be fed directly inside the plasma jet generator, thereby avoiding the heat losses occurring in the prior art and this can be done in various ways: a) the reactant is made through a bore in the cathode 11 fed axially into the center of the plasma jet, b) the reactant will be fed directly into the plasma jet through openings made in the inner wall 14-2, 14-2 'of the vortex flow cooling chamber while the reactant is in the cooling chamber is fed through openings 18-2, 18-2 '. The reactant fed into the vortex flow cooling chamber will therefore additionally function as a cooling means to stabilize the plasma jet generator.

c) De gaskamer 15 binnenin de plasma-jet generator zal de functie van reactor op zich nemen terwijl de reactanten worden ingebracht door de openingen 17 , 17’ van de vortex flow generating nozzle 13, 13’ (stroom generende vortex mondstuk sproeier) en via de openingen 13-1 , 13-Γ , 13-2 , 13-2’ rechtstreeks in de gaskamer 15 worden gevoed. De reactant gevoed m de vortex flow generating nozzle zal dus de functie van het werkende gas op zich nemen.c) The gas chamber 15 within the plasma jet generator will take on the function of reactor while the reactants are introduced through the openings 17, 17 'of the vortex flow generating nozzle 13, 13' (flow generating vortex nozzle sprayer) and via the openings 13-1, 13-Γ, 13-2, 13-2 'are fed directly into the gas chamber 15. The reactant fed with the vortex flow generating nozzle will therefore assume the function of the working gas.

F) De voeding in de plasma-jet binnenin de plasma-jet generator via de vortex flow generating nozzle heeft een belangrijk bijkomend voordeel. Door de vorm van de vortex flow generating nozzle draaien de reactanten aan een grote snelheid tangentieei rond de snel voorbijrazende plasma-jet. De vele ronddraaiende bewegingen, in de vorm van een spiraal, van de reactanten rond de aan een grote snelheid voorbijrazende plasma-jet resulteren dat de reactanten een langere tijd in contact blijven met de hoge temperatuur geproduceerd door de plasma-jet. De contacttijd kan makkelijk tot 10 maal langer zijn en zelfs meer.F) The feed into the plasma jet within the plasma jet generator via the vortex flow generating nozzle has an important additional advantage. Due to the shape of the vortex flow generating nozzle, the reactants rotate at a high speed tangent around the fast-passing plasma jet. The many circular movements, in the form of a spiral, of the reactants around the high-speed plasma jet result in the reactants remaining in contact with the high temperature produced by the plasma jet for a longer period of time. The contact time can easily be up to 10 times longer and even more.

G) Het geïoniseerde plasmagas of de plasma-jet zelf, geproduceerd vanaf de tweede electrode zal door de derde elektrode en volgende worden gebruikt als werkend gas waardoor vanaf de derde elektrode een zuiver plasma reactie zal optreden resulterend in een grotere omvormingssnelheid en waardoor een veelvoud van reactanten bij eenzelfde vermogen en tijdseenheid kan worden omgevormd wat bijkomend ten gunste is van het totaal rendement van de omvorming.G) The ionized plasma gas or the plasma jet itself produced from the second electrode will be used by the third electrode and the following as a working gas whereby a pure plasma reaction will occur from the third electrode resulting in a higher conversion rate and thereby a multiple of reactants with the same power and unit of time can be converted, which is also in favor of the total efficiency of the transformation.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Het bovengenoemde doel en de kenmerken van de uitvinding zullen duidelijk blijken uit de volgende uiteenzetting van de geprefereerde embodiments met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen waarin: FIG.l is een dwars doorsnede van een plasma-jet generator overeenstemmend met de embodiment van de onderhavige uitvinding; FIG.2 is een dwarsdoorsnede (2)-(2) uit FIG.l ; FIG.3 is een grafiek die de snelheidskarakteristieken van de hoge snelheid vortex stroming van het werkende gas weergeeft; FIG.4 is een grafiek van de relatie tussen de binnendiameter van een gas diverter nozzle (gas wisselklep mondstuk sproeier) en een spanning gebruikt tussen twee mondstukken van een deel van het apparaat; FIG.5 is een grafiek van de relatie tussen het gas debiet in een gas diverter nozzle en een spanning tussen de twee nozzles; FIG.6 is een grafiek van twee kenmerken in verband met de elektrische spanning en stroom; FIG.7 is een dwarsdoorsnede van een plasma-jet generator volgens een tweede belichaming van de onderhavige uitvinding; FIG.8 is een dwarsdoorsnede van een gewijzigd plasma-jet generator gebaseerd op de tweede belichaming van FIG.7; FIG.9 is een grafiek met V-I kenmerken van de plasma-jet; en FIG.10 is een perspectief van de vortex flow genererende nozzle (stroom generende vortex mondstuk sproeier).The above object and features of the invention will become apparent from the following explanation of the preferred embodiment with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a cross-sectional view of a plasma jet generator corresponding to the embodiment of the present invention; FIG.2 is a cross-section (2) - (2) of FIG.1; FIG.3 is a graph showing the velocity characteristics of the high velocity vortex flow of the working gas; FIG.4 is a graph of the relationship between the inside diameter of a gas diverter nozzle (gas diverter nozzle nozzle) and a voltage used between two nozzles of a portion of the device; FIG.5 is a graph of the relationship between the gas flow rate in a gas diverter nozzle and a voltage between the two nozzles; FIG.6 is a graph of two features related to the electrical voltage and current; FIG.7 is a cross-sectional view of a plasma jet generator according to a second embodiment of the present invention; FIG.8 is a cross-sectional view of a modified plasma jet generator based on the second embodiment of FIG.7; FIG. 9 is a graph with V-I characteristics of the plasma jet; and FIG.10 is a perspective view of the vortex flow generating nozzle (flow generating vortex nozzle sprayer).

BESCHRIJVING VAN DE EMBODIMENTS.DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS.

FIG.l is een dwarsdoorsnede van een plasma jet genererend apparaat volgens een eerste embodiment van de uitvinding. Het apparaat van het eerste embodiment is eigenlijk gebouwd als twee onderdelen A en B, Deel A is in wezen dezelfde constructie als een conventionele plasma-jet genererend apparaat. Deel B is een vortex flow/ontladingseenheid.FIG.1 is a cross-sectional view of a plasma jet generating device according to a first embodiment of the invention. The device of the first embodiment is actually built as two parts A and B. Part A is essentially the same construction as a conventional plasma jet generating device. Part B is a vortex flow / discharge unit.

Zoals blijkt uit FIG.l, bestaat deel A uit een toorts centrum elektrode 11, gemaakt van, bijvoorbeeld, koper, wolfram of een legering, en een toorts mondstuk 12, ook functionerend als elektrode. De elektroden 11 en 12 zijn aangesloten aan de beide uiteinden van een eerste DC voeding PSI. Indien van toepassing kan door de elektrode 11 centraal een boring worden gemaakt om via deze weg reactanten axiaal direct in de plasma-jet te voeden, (niet weergegeven op FIG.l). Anderzijds omvat deel B een tweede DC voeding PS2, het ene uiteinde van de voeding is verbonden met de toorts nozzle 12, het andere uiteinde wordt aangesloten op de gas diverter nozzle 14 unctionerend als een elektrode en een vortex flow producerende nozzle 13 met openingen 13-1 en 13-2, waarin een vortex gas kamer 15 wordt gevormd. Referentie cijfer 14 duidt een gas diverter nozzle met een donut-vormige zijwand 14-1 en een binnenwand 14-2 waardoor kleine openingen zijn gemaakt zodat een direkte koeling van de plasma-jet mogelijk is, 16 een plasma-jet wordt gegenereerd, 17 een inlaat waardoor een werkende gas GS wordt gevoed, 18-1 en 18-2 zijn inlaten waarin het koeling middel wordt gevoed, en 19-1 en 19-2 zijn isolatoren. FIG. 2 is een dwarsdoorsnede (2)-(2) meegenomen uit FIG.l. F1G.2 wordt gebruikt voor het begrijpen van de operaties uitgevoerd binnen de vortex flow/ontladingseenheid B. Het werkende gas GS wordt geïnjecteerd door de openingen 13-1, 13-2 binnenin de vortex flow kamer 15. De vortex flow kamer 15 is van een cilindrische vorm. De gaten in 13-1, 13-2 bij voorkeur gericht in een tangentiële richting ten opzichte van de cirkel van de gerelateerde wand van de kamer 15. Ook de openingen in 13-1, 13-2 zijn symmetrisch gepositioneerd met elkaar met betrekking tot de lengteas van de cilindervormige wand van kamer 15.As shown in FIG. 1, part A consists of a torch center electrode 11 made of, for example, copper, tungsten or an alloy, and a torch nozzle 12, also functioning as an electrode. The electrodes 11 and 12 are connected to both ends of a first DC power supply PSI. If applicable, a bore can be made centrally by the electrode 11 to feed reactants axially directly into the plasma jet through this route (not shown in FIG. 1). On the other hand, part B comprises a second DC power supply PS2, one end of the power supply is connected to the torch nozzle 12, the other end is connected to the gas diverter nozzle 14 unctionally as an electrode and a vortex flow producing nozzle 13 with openings 13- 1 and 13-2, in which a vortex gas chamber 15 is formed. Reference numeral 14 denotes a gas diverter nozzle with a donut-shaped side wall 14-1 and an inner wall 14-2 through which small openings are made so that a direct cooling of the plasma jet is possible, 16 a plasma jet is generated, 17 a inlet through which a working gas GS is fed, 18-1 and 18-2 are inlets into which the cooling means is fed, and 19-1 and 19-2 are insulators. FIG. 2 is a cross-section (2) - (2) taken from FIG. F1G.2 is used to understand the operations performed within the vortex flow / discharge unit B. The working gas GS is injected through the openings 13-1, 13-2 inside the vortex flow chamber 15. The vortex flow chamber 15 is of a cylindrical shape. The holes in 13-1, 13-2 preferably directed in a tangential direction with respect to the circle of the related wall of the chamber 15. Also the openings in 13-1, 13-2 are symmetrically positioned with each other with respect to the longitudinal axis of the cylindrical wall of chamber 15.

De aldus geïnjecteerde werkende gassen, schematisch geïllustreerd met pijlen in FIG. 1-2-7-8, roteren snel om binnenin de vortex flow kamer 15 de hoge snelheid vortex stroming te vormen. Vervolgens worden de geïnjecteerde werkende gassen naar buiten gespuwd door middel van de donutvormige wand 14-1 van de gas diverter nozzle 14 en de binnenwand 14-2 van de nozzle. FIG.3 is een grafiek van de snelheids kenmerken van de hoge snelheid vortex flow van de werkende gassen. In de grafiek van FIG.3, de abscis geeft de straal R en de ordinaat een snelheid V. De karakters Γ]4 en ris langs de abscis vertegenwoordigen de radii van de gas diverter nozzle 14 (14-2) en de vortex flow kamer 15. Va geeft de snelheid van het geluid weer. De kromme Ve staat voor de snelheid in de tangentiële richting, terwijl Vr, de snelheid in de radiale richting vertegenwoordigt. Uit de grafiek van de FIG.3 blijkt dat de snelheden van zowel de tangentiële en radiale richting, dwz Ve en Vr, stijgt snel. De tangentiële snelheid Ve bereikt de snelheid van het geluid Va te wijten aan een zogenaamde "side wall"-effect, dat wil zeggen het opsluiting effect tegen de vortex gasstroom aan de donut-vormige zijkant van de gas diverter nozzle 14. Op dit moment is de stroom snelheid gemeten binnen de 15 kamer stabiel als gevolg van het zogenaamde "viscositeit effect van gas." In dit geval vertoont de binnenkant van de kamer 15 een relatief lage druk, die veroorzaakt een sterke stijging van de gasdruk in de radiale richting. Deze lage druk creëert een vortex gas tunnel. Hoewel de buitenkant van de vortex gasstroom uitgaat van een druk zo hoog als de atmosferische druk, de binnenzijde daarvan kan uitgaan van een druk zo laag als de orde van enkele Torrs. Overigens, de bovengenoemde vortex gas tunnel werd reeds gemeld in de Journal of Physics Society van Japan, volume 43, nr. 3, P.1107 te P.1108 september 1977, getiteld :The operating gases thus injected, schematically illustrated with arrows in FIG. 1-2-7-8, rotate rapidly to form the high speed vortex flow inside the vortex flow chamber. The injected working gases are then spewed out by means of the donut-shaped wall 14-1 of the gas diverter nozzle 14 and the inner wall 14-2 of the nozzle. FIG.3 is a graph of the velocity characteristics of the high speed vortex flow of the working gases. In the graph of FIG.3, the abscissa gives the radius R and the ordinate a velocity V. The characters Γ] 4 and ris along the abscissa represent the radii of the gas diverter nozzle 14 (14-2) and the vortex flow chamber 15. Va shows the speed of the sound. The curve Ve represents the velocity in the tangential direction, while Vr, represents the velocity in the radial direction. The graph of FIG.3 shows that the velocities of both the tangential and radial directions, ie Ve and Vr, are rising rapidly. The tangential velocity Ve reaches the velocity of the sound Va due to a so-called "side wall" effect, i.e. the confinement effect against the vortex gas flow on the donut-shaped side of the gas diverter nozzle 14. At present, the flow rate measured within the chamber is stable due to the so-called "viscosity effect of gas." In this case, the inside of the chamber 15 exhibits a relatively low pressure, which causes a sharp rise in gas pressure in the radial direction. This low pressure creates a vortex gas tunnel. Although the outside of the vortex gas stream assumes a pressure as high as the atmospheric pressure, the inside thereof can assume a pressure as low as the order of a few Torrs. Incidentally, the aforementioned vortex gas tunnel was already reported in the Journal of Physics Society of Japan, Volume 43, No. 3, P.1107 to P.1108 September 1977, entitled:

Concept of Vortex Gas Tunnel and Application to High Température Plasma Production” Aangezien de vortex gas tunnel wordt gevormd langs de centrale as van de gas diverter nozzle 14, een sterk thermisch pinch effect wordt toegepast, te wijten aan convectie in de radiale richting, naar het plasma-jet 16. Bovendien kan de stabiliteit van het plasma-jet opmerkelijk verbeteren door een gas muur daarin vormend een sterke druk stijging, deze sterke druk stijging is afgeleid van de hoge snelheid vortex gas flow. Daarom is in FIG.l, waar de piloot boog plasma wordt opgestart door een elektrische ontlading tussen de toorts centrum elektrode 11 en de toorts nozzle 12 en de aldus geproduceerde piloot boog plasma loopt door de vortex gas-tunnel, de piloot boog plasma wordt onderworpen aan grote elektrische energie door middel van een electrische ontlading tussen de toorts nozzle 12 en de gas diverter nozzle 14. Tegelijkertijd is de piloot plasma onderworpen aan een krachtig thermisch pinch effect, omdat het oppervlak van de boog wordt gekoeld door de sterke vortex gas flow. Daarom wordt een plasma-jet gecreëerd met een hoog vermogen en een hoge dichtheid en vervolgens uitgespuwd uit de gas diverter nozzle 14. Wij noemen deze ontlading uit het center van de vortex flow kamer 15 de gas tunnel ontlading.Concept of Vortex Gas Tunnel and Application to High Temperature Plasma Production ”Since the vortex gas tunnel is formed along the central axis of the gas diverter nozzle 14, a strong thermal pinch effect is applied due to convection in the radial direction towards the plasma jet 16. Moreover, the stability of the plasma jet can remarkably improve by a gas wall therein forming a strong pressure rise, this strong pressure rise is derived from the high speed vortex gas flow. Therefore, in FIG. 1, where the pilot arc plasma is started by an electrical discharge between the torch center electrode 11 and the torch nozzle 12 and the pilot arc plasma thus produced passes through the vortex gas tunnel, the pilot arc plasma is subjected to large electrical energy by means of an electrical discharge between the torch nozzle 12 and the gas diverter nozzle 14. At the same time, the plasma pilot is subjected to a powerful thermal pinch effect, because the surface of the arc is cooled by the strong vortex gas flow. Therefore, a plasma jet with a high power and a high density is created and then spewed out of the gas diverter nozzle 14. We call this discharge from the center of the vortex flow chamber 15 the gas tunnel discharge.

Experimenten met behulp van een prototype toestel uitgevoerd door Arata volgens de eerste embodiment FIG.l verstrekten de volgende gegevens. Ten eerste, een plasma-jet.met positieve polariteit is energized door het gas diverter nozzle 14, aan welke een negatieve polariteit wordt gevoed door de voeding PS2, zoals is geïllustreerd in FIG.l. In dit geval, een electrisch potentieel van 160V wordt toegepast, na triggering van de piloot boog plasma, naar de gas diverter nozzle 14. Er werd vastgesteld dat een elektrische stroom bij de plasma-jet makkelijk bovenop elkaar kan worden gelegd (bijvoorbeeld een elektrisch stroom van 1300A bij 160V kan boven de gewone piloot plasma worden gelegd. Zoals 800A bij 35V. Zoals uit het bovenstaande experiment blijkt, een hoog elektrisch vermogen van meer dan 200 kW kan gemakkelijk worden uitgestoten , via de gas diverter nozzle 14 naar de piloot boog plasma met een gewone lage elektrisch vermogen lager dan 30 kW. Zo neemt de gegenereerde plasma-jet sterk toe in lengte en in helderheid.Experiments using a prototype device performed by Arata according to the first embodiment FIG. 1 provided the following data. First, a positive polarity plasma jet is energized by the gas diverter nozzle 14, to which a negative polarity is supplied by the PS2 power supply, as illustrated in FIG. In this case, an electrical potential of 160V is applied, after triggering of the pilot arc plasma, to the gas diverter nozzle 14. It was established that an electric current at the plasma jet can easily be superimposed (for example an electric current) of 1300A at 160V can be placed above the normal pilot plasma, like 800A at 35V. As the above experiment shows, a high electrical power of more than 200 kW can easily be emitted, via the gas diverter nozzle 14 to the pilot arc plasma with a normal low electrical power of less than 30 kW, the generated plasma jet increases greatly in length and brightness.

In het plasma-jet genererend apparaat volgens de eerste embodiment van de FIG.l, kan de tweede voeding PS2-DC een positieve spanning naar de gas diverter nozzle wisselklep 14 voeden in plaats van negatieve spanning zoals geïllustreerd in deze figuur. Verder, met betrekking tot de voedingsspanning van de tweede DC stroombron PS2, kan het spanningsniveau vrij bepaald worden in overeenstemming met de verschillende parameters, bijvoorbeeld de lengte van vortex flow kamer 15, de binnendiameter van de gas diverter nozzle 14, de soorten werkende gassen voor de vortex flow, en het debiet en de druk van het werkende gas voor de vortex flow. Dit betekent dat er grote vrijheid is om de kracht van de plasma-jet te laten toenemen. Meer specifieke voorwaarden zijn als volgt: (a) Het werkende gas voor de vortex flow wordt samengesteld uit een selectie van de groep bestaande uit, bijvoorbeeld, Ar, He, H2, N2, C02-, lucht en chemisch reactief gas. Bijkomend zullen in deze uitvinding alle mogelijke te vergassen reactanten, hetzij toxisch of niet toxisch, hetzij vast, vloeibaar of gasvormig en inclusief stoom en H20 kunnen worden gebruikt als werkend gas. Het moet hier worden verstaan dat het niet altijd nodig is om hetzelfde materiaal te kiezen, zowel voor het werkende gas GS als voor de vortex flow en het werkende gas GS als het gas voor de oprichting van de piloot boog plasma.In the plasma jet generating apparatus of the first embodiment of FIG. 1, the second power supply PS2-DC can supply a positive voltage to the gas diverter nozzle shuttle valve 14 instead of negative voltage as illustrated in this figure. Furthermore, with regard to the supply voltage of the second DC power source PS2, the voltage level can be freely determined in accordance with the different parameters, for example the length of vortex flow chamber 15, the inner diameter of the gas diverter nozzle 14, the types of operating gases for the vortex flow, and the flow and pressure of the working gas for the vortex flow. This means that there is great freedom to increase the power of the plasma jet. More specific conditions are as follows: (a) The working gas for the vortex flow is composed of a selection of the group consisting of, for example, Ar, He, H2, N2, CO2, air and chemically reactive gas. Additionally, in this invention, all possible reactants to be gasified, whether toxic or non-toxic, or solid, liquid or gaseous and including steam and H 2 O may be used as the operating gas. It is to be understood here that it is not always necessary to choose the same material, both for the working gas GS as for the vortex flow and the working gas GS as the gas for establishing the pilot arc plasma.

(b) In deze uitvinding wordt de plasma-jet direct gekoeld door openingen aanwezig in de binnenwand 14-2, 14-2’ (niet uitgevoerd op de fig., maar kan op dezelfde manier begrepen worden als fig. 10) van de koelkamer CM. Als koelmiddel kan behalve water eender welke reactant hetzij vast, vloeibaar of gasvormig, worden gebruikt zolang er voldoende koeling van de plasma-jet optreed. In deze uitvinding wordt de reactant in de koelkamer CM gevoed via de open ingen 18-2,18-2’.(b) In this invention, the plasma jet is directly cooled through openings present in the inner wall 14-2, 14-2 '(not shown in the Figure, but can be understood in the same way as Figure 10) of the cooling chamber CM. In addition to water, any reactant, whether solid, liquid or gaseous, can be used as the coolant as long as there is sufficient cooling of the plasma jet. In this invention, the reactant in the cooling chamber CM is fed via the openings 18-2,18-2 ".

(c) De beoogde spanning tussen de toorts nozzle 12 en de gas diverter nozzle 14, dat wil zeggen, Vim4, neemt samen toe met de stijging van de vortex flow kamer 15 in lengte.(c) The intended voltage between the torch nozzle 12 and the gas diverter nozzle 14, i.e., Vim4, increases together with the rise of the vortex flow chamber 15 in length.

(d) De spanningen Vi2.u veranderen indirect omgekeerd evenredig tot de verandering van de binnendiameter van de gas diverter nozzle 14. De grafiek in FIG.4 toont de relatie tussen de binnendiameter van de gas diverter nozzle 14 en de spanning V12.]4 toegepast tussen de twee nozzles van deel B. Zoals blijkt uit de grafiek van FIG.4, de spanning V12-14 is indirect evenredig aan de binnendiameter (in mm) van de gas diverter nozzle 14. De relatie van de grafiek is in dit geval verkregen, onder een voorwaarde waar de gasstroom Q ongeveer 400 1/min is en een elektrische stroom I van de voeding PS2 ongeveer 1000 A is.(d) The voltages Vi2.u change indirectly inversely proportional to the change of the inner diameter of the gas diverter nozzle 14. The graph in FIG.4 shows the relationship between the inner diameter of the gas diverter nozzle 14 and the voltage V12.] 4 applied between the two nozzles of part B. As can be seen from the graph of FIG. 4, the voltage V12-14 is indirectly proportional to the inner diameter (in mm) of the gas diverter nozzle 14. The relationship of the graph is in this case obtained, under a condition where the gas stream Q is approximately 400 1 / min and an electric current I of the power supply PS2 is approximately 1000 A.

(e) De spanning Vi2-i4 verandert in directe verhouding tot de verandering van de gasstroom in de gas diverter nozzle 14.(e) The voltage Vi2-i4 changes in direct proportion to the change in gas flow in the gas diverter nozzle 14.

FIG.5 is een grafiek van de relatie tussen het gas debiet GFR in de gas diverter nozzle 14 en de spanning V12-14 tussen de twee nozzles van het deel B. Zoals blijkt uit de grafiek van de FIG.5, de spanning Vj2-m stijgt samen met de stijging van de gasstroom GFR (in 1/min). De relatie van de grafiek is in dit geval verkregen, onder de voorwaarden van een ongeveer 400A elektrische stroom I van de voeding PS2 en een 8 mm binnendiameter d van de gas diverter nozzle 14.FIG.5 is a graph of the relationship between the gas flow GFR in the gas diverter nozzle 14 and the voltage V12-14 between the two nozzles of the part B. As can be seen from the graph of FIG.5, the voltage Vj2- m increases with the increase in GFR gas flow (in 1 / min). The relationship of the graph is obtained in this case, under the conditions of an approximately 400A electric current I of the power supply PS2 and an 8 mm inner diameter d of the gas diverter nozzle 14.

(f) De spanning V12-14 is ook afhankelijk van de variëteit van het werkende gas GS. Bijvoorbeeld, de spanning V12-14 is hoger wanneer N2 wordt gebruikt als werkend gas dan wanneer Ar wordt gebruikt als werkend gas.(f) The voltage V12-14 also depends on the variety of the working gas GS. For example, the voltage V12-14 is higher when N2 is used as the working gas than when Ar is used as the working gas.

(g) De verandering in de druk van het werkende gas induceert ook een verandering in de spanning V12-14 · De verandering blijkt identiek te zijn aan een geval waar de spanning V12-14 wordt veranderd door de verandering van de gasstroom ratio, zoals in FIG. 5.(g) The change in the pressure of the working gas also induces a change in the voltage V12-14. The change appears to be identical to a case where the voltage V12-14 is changed by the change in the gas flow ratio, such as in FIG. 5.

Zoals eerder vermeld, is het gemakkelijk voor het plasma-jet apparaat van de onderhavige uitvinding om output te genereren van een zeer hoog vermogen plasma-jet. De reden voor dit zal worden verduidelijkt aan de hand van FIG. 6.As mentioned earlier, it is easy for the plasma jet device of the present invention to generate output from a very high power plasma jet. The reason for this will be clarified with reference to FIG. 6.

FIG. 6 is een grafiek die twee kenmerken weergeeft in relatie tot beiden spanning en elektrische stroom. De ordinate en abscis van de grafiek corresponderen met de spanning V en de elektrische stroom I beiden verschijnen over de plasma-jet. De gebroken curve beduidt een typisch en conventionele V-I karakteristiek voorzien van een prior art plasma-jet genererend apparaat met een constructie vergelijkbaar met deel A in Fig.l. De volle lijn B geeft een eigenschap die wordt gepresenteerd als een kenmerk bereikt in een gas tunnel discharge (ontladings) regio, terwijl de stippel lijn A kan worden gedefinieerd als een kenmerk bereikt in een normale plasma jet regio, die verschijnt in het bereik van de grafiek in Fig.6. Gezien vanaf de grafiek, het bereik (i) vertoont een zogenaamde negatieve kenmerk voor de variabelen V en I. Dit kenmerk is ook verkregen bij het apparaat van FIG.l slechts in een eerste stadium waarin de piloot boog plasma het eerst moet worden opgewekt, maar in de prior art plasma-jet genererend apparatuur, is hetzelfde kenmerk verkregen gedurende de gebruikelijke werktijd. Als men probeert om de plasma-jet kracht van de prior art apparaat te verhogen, moet men gebruik maken van een positief kenmerk tussen de variabelen V en I. Deze positieve eigenschap kan worden verkregen, in de grafiek, op het bereik (I). Daarvoor is een zeer grote stroom noodzakelijk. De elektroden lijden aan een ongewenste fusie als gevolg van zo'n grote stroom. In tegenstelling tot hierboven, kan de voorgenomen verhoging van het vermogen van de plasma-jet gemakkelijk worden uitgevoerd met behulp van de positieve eigenschap die inherent zijn aan de gastunnel discharge regio, zoals de volle lijn B in de grafiek. Hierbij moet worden opgemerkt dat, in de gas-tunnel discharge regio, de V-I is positief gemaakt ten gevolge van het genoemde sterke thermische pinch effect. Bijgevolg is het apparaat van de onderhavige uitvinding geschikt voor een grote elektrische stroom, bovendien met een spanning in de orde van meer dan 100V, die hoger is dan de werkende spanning van de gebruikelijke plasma-jet, bijvoorbeeld in de grote van 50V. FIG. 7 is een dwarsdoorsnede van een plasma-jet generend apparaat op basis van een tweede embodiment van de onderhavige uitvinding. FIG.7 gebruikt dezelfde componenten als die van FIG.l en er worden dezelfde referentie cijfers of tekens (zelfde voor latere cijfers) gebruikt. Zoals begrepen uit de FIG.7, is de vortex flow/ontladingseenheid B verder aangesloten, in tandem langs de stroomrichting van de plasma-jet 16, met een verdere vortex flow/ontladingseenheid B (of eenheden B’, B "...), met elk bijna identieke constructies. De toegevoegde vortex flow/ ontladingseenheid B (of eenheden B’, B”) is bedoeld om de energie van de plasma-jet 16 te vermenigvuldigen, waardoor een plasma-jet met een ultra hoog vermogen kan worden gecreëerd. Als het plasma-jet genererende apparatuur wordt opgesteld met drie vortex flow/lozing eenheden B, B’en B” (niet volledig afgebeeld) verbonden in tandem, kan het werken als een 3MW aangedreven apparaat met 2kA op l,5kV. FIG. 8 is een dwarsdoorsnede van een gewijzigde plasma-jet genererend apparaat gebaseerd op de tweede belichaming van de FIG.7. In het apparaat van FIG.7, de tweede DC voeding PS2, PS2’, en PS2 van de vortex flow/lozing eenheden B, B' en B” (niet volledig afgebeeld) zijn allen aangesloten op dezelfde polariteit. Echter, in het apparaat van FIG.8, de tweede DC voeding PS2, PS2’, en PS2” voor de vortex flow/lozing eenheden_B, B 'en B//, zijn respectievelijk afwisselend geplaatst met tegenovergestelde polariteit.FIG. 6 is a graph showing two characteristics in relation to both voltage and electric current. The ordinate and abscissa of the graph correspond to the voltage V and the electric current I both appear across the plasma jet. The broken curve denotes a typical and conventional V-I characteristic provided with a prior art plasma jet generating device with a construction similar to part A in Fig. 1. The solid line B gives a property that is presented as a feature achieved in a gas tunnel discharge region, while the dashed line A can be defined as a feature achieved in a normal plasma jet region that appears in the range of the graph in Fig.6. Viewed from the graph, the range (i) exhibits a so-called negative characteristic for variables V and I. This characteristic is also obtained with the device of FIG. 1 only at a first stage in which the pilot arc plasma must be generated first, but in the prior art plasma jet generating equipment, the same characteristic is obtained during the usual working time. If one tries to increase the plasma jet power of the prior art device, one must use a positive characteristic between the variables V and I. This positive characteristic can be obtained, in the graph, on the range (I). This requires a very large current. The electrodes suffer from an undesired fusion due to such a large current. In contrast to the above, the intended increase in the power of the plasma jet can be easily performed using the positive property inherent in the gas tunnel discharge region, such as the solid line B in the graph. It should be noted that, in the gas-tunnel discharge region, the V-I was made positive due to the aforementioned strong thermal pinch effect. Consequently, the device of the present invention is suitable for a large electric current, moreover with a voltage in the order of more than 100 V, which is higher than the operating voltage of the conventional plasma jet, for example in the size of 50 V. FIG. 7 is a cross-sectional view of a plasma jet generating device based on a second embodiment of the present invention. FIG.7 uses the same components as those of FIG.1 and the same reference numerals or characters (same for later digits) are used. As understood from FIG. 7, the vortex flow / discharge unit B is further connected, in tandem along the flow direction of the plasma jet 16, with a further vortex flow / discharge unit B (or units B ', B "...) , with almost identical constructions each The added vortex flow / discharge unit B (or units B ', B ”) is intended to multiply the energy of the plasma jet 16, whereby an ultra high power plasma jet can be created If the plasma jet generating equipment is installed with three vortex flow / discharge units B, B 'and B' (not fully shown) connected in tandem, it can work as a 3 MW powered device with 2 kA at 1.5 kV. 8 is a cross-sectional view of a modified plasma jet generating device based on the second embodiment of FIG.7 In the device of FIG.7, the second DC power supply PS2, PS2 ', and PS2 of the vortex flow / discharge units B , "B" and "B" (not fully shown) are all connected to the same However, in the device of FIG. 8, the second DC power supply PS2, PS2 ", and PS2" for the vortex flow / discharge units_B, B 'and B //, are alternately arranged with opposite polarity.

Het plasma-jet genererend apparaat van FIG.7 is superieur in thermische efficiëntie aan die van de FIG. 8 met verschillende procenten. De reden hiervoor is echter nog niet helemaal duidelijk en is dus theoretisch.The plasma jet generating device of FIG.7 is superior in thermal efficiency to that of FIG. 8 with different percentages. However, the reason for this is not yet entirely clear and is therefore theoretical.

FIG. 9 is een grafiek van de V-I kenmerken van de plasma-jet. De abscis en ordinaat geven de elektrische stroom I in A en de spanning V in volt. In de grafiek, komt de curve A overeen met een prior art plasma-jet genererend apparaat, dat omvat alleen het deel A van de FIG.l, de curve A+B komen overeen met een eentraps plasma-jet genererend apparaat, dat wil zeggen, het apparaat van de FIG.l (met vermelding van de spanning van alleen het deel B), en de curve A+2B om een dubbel-traps plasma-jet genererend apparaat, dat wil zeggen, het apparaat van de FIG.7 of FIG.8 (met vermelding van de spanning op de onderdelen B+B' (of B+B') alleen wanneer gebouwd in de vorm van A+B+B (of A+B+B'), waarin, bijvoorbeeld, de eerste DC voeding had een spanning van 100V en elke tweede DC voeding had een spanning van 500V.FIG. 9 is a graph of the V-I characteristics of the plasma jet. The abscissa and ordinate give the electric current I in A and the voltage V in volts. In the graph, the curve A corresponds to a prior art plasma jet generating device, which comprises only part A of the FIG. 1, the curve A + B corresponds to a single-stage plasma jet generating device, i.e. the device of FIG. 1 (indicating the voltage of part B only), and the curve A + 2B around a double-stage plasma jet generating device, i.e., the device of FIG. 7 or FIG.8 (indicating the voltage on components B + B '(or B + B') only when built in the form of A + B + B (or A + B + B '), where, for example, the first DC power supply had a voltage of 100V and every second DC power supply had a voltage of 500V.

Zoals uit het bovenstaande begrepen, de vortex flow kamer 15 speelt een belangrijke rol in de onderhavige uitvinding. De kamer 15 is, in werkelijkheid, gevormd door de vortex flow genererende nozzle (13, 13 ') tussen twee nozzles elektrode te plaatsen.As understood from the above, the vortex flow chamber 15 plays an important role in the present invention. The chamber 15 is, in reality, formed by placing the vortex flow generating nozzle (13, 13 ') between two electrode nozzles.

FIG. 10 is een perspectief van de vortex flow genererende nozzle. In FIG. 10, is de betrokken vortex flow kamer gevormd binnen het mondstuk (13, 13’). De binnenste cilinderwand is voorzien van doorlaatgaten, zoals 13-1, 13-Γ, 13.2, 13.2’, voor het injecteren van het werkend gas gevoed door de inlaat (17, 17’) via de passage in de nozzle (13, 13’).FIG. 10 is a perspective view of the vortex flow generating nozzle. In FIG. 10, the vortex flow chamber involved is formed within the mouthpiece (13, 13 "). The inner cylinder wall is provided with passage holes, such as 13-1, 13-Γ, 13.2, 13.2 ', for injecting the working gas fed through the inlet (17, 17') via the passage in the nozzle (13, 13 ' ).

Zoals hierboven in detail uiteengezet kan het plasma-jet genererend apparaat een grote hoeveelheid van hoge temperatuur plasma-jet stabiel produceren zonder dure, complexe hardware. Dit wordt mogelijk gemaakt door de thermische pinch effect en hoge isolatie vermogen, beiden afkomstig van de bijzondere vortex gasstroom. Het gebruik van een vortex nozzle om de reactanten binnenin de plasma-jet generator te voeden en vooral om tangentieel meerdere malen rond de plasma-jet te draaien waardoor de kontakt tijd van de reactant met de hoge temperatuur plasma-jet een veelvoud is met de prior art, resulteerd in een nieuwe methode voor het voeden van reactanten naar plasma-jet generatoren waardoor de energie noodzakelijk voor de reactie met meer dan 10% en zelfs veel meer daalt.As explained in detail above, the plasma jet generating device can stably produce a large amount of high temperature plasma jet without expensive, complex hardware. This is made possible by the thermal pinch effect and high insulation capacity, both from the special vortex gas flow. The use of a vortex nozzle to feed the reactants within the plasma jet generator and especially to rotate tangentially several times around the plasma jet, making the contact time of the reactant with the high temperature plasma jet a multiple of the prior art, resulted in a new method for feeding reactants to plasma jet generators that reduces the energy necessary for the reaction by more than 10% and even much more.

Deze nieuwe methode verbeterd het vermogen en het energetisch rendement voor verschillende toepassingen waarbij extreem hoge temperaturen nodig zijn zoals voor het smelten van harde metalen of het dissociëren van water.This new method improves the power and energy efficiency for different applications where extremely high temperatures are required, such as for melting hard metals or dissociating water.

Directe koeling binnenin de plasma-jet generator door gebruik te maken van dezelfde methode als omschreven in het embodiment kan eveneens worden toegepast bij alle soorten thermische plasma-jet generatoren gekend in de prior art, zoals er zijn: gas gestabiliseerde plasma-jet generatoren hetzij DC, AC, of DC/AC gevoed, water en/of water/gas gestabiliseerde plasma-jet generatoren hetzij DC, AC of DC/AC gevoed, Inductie plasma-jet generatoren hetzij DC, AC of DC/AC gevoed.Direct cooling within the plasma jet generator by using the same method as described in the embodiment can also be applied to all types of thermal plasma jet generators known in the prior art, such as: gas-stabilized plasma jet generators or DC , AC, or DC / AC powered, water and / or water / gas stabilized plasma jet generators either DC, AC or DC / AC powered, Induction plasma jet generators either DC, AC or DC / AC powered.

Het gebruik van één of meerdere vortex flow generating nozzles voor de voeding van het werkend gas, of de reactant rechtstreeks binnenin de plasm-jet generator jan eveneens worden toegepast bij alle soorten thermische plasma-jet generatoren gekend in de prior art, zoals er zijn: gas gestabiliseerde plasma-jet generatoren hetzij DC, AC, of DC/AC gevoed, water en/of water/gas gestabiliseerde plasma-jet generatoren hetzij DC, AC of DC/AC gevoed, Inductie plasma-jet generatoren hetzij DC, AC of DC/AC gevoed.The use of one or more vortex flow generating nozzles for feeding the working gas, or the reactant directly within the plasma jet generator may also be applied to all types of thermal plasma jet generators known in the prior art, such as there are: gas stabilized plasma jet generators either DC, AC, or DC / AC fed, water and / or water / gas stabilized plasma jet generators either DC, AC or DC / AC fed, Induction plasma jet generators either DC, AC or DC / AC powered.

VOORBEELDENEXAMPLES

Enkele voorbeelden illustreren de uitvinding zonder tot deze beperkt te zijn.Some examples illustrate the invention without being limited to it.

Voorbeeld 1: Het gelijktijdig gebruik van water als koelmiddel, werkgas en reactant Plasma-jets bevatten een zeer hoge energie, in de vorm van een temperatuur tot 104K en zelfs hoger. De water gestabiliseerde plasma-jet generator besproken door Hrabovsky bereikt zelfs pieken tot 28.000 K. Om water H2O te ontbinden tot zijn atomen H en O zijn hoge temperaturen vereist. Vanaf 4500°K wordt H20 volledig ontbonden tot zijn atomen H en O.Example 1: The simultaneous use of water as a coolant, working gas and reactant plasma jets contain a very high energy, in the form of a temperature of up to 104K and even higher. The water-stabilized plasma jet generator discussed by Hrabovsky even reaches peaks of up to 28,000 K. To decompose water H2O to its H and O atoms, high temperatures are required. From 4500 ° K, H20 is completely dissolved to its atoms H and O.

Milan Hrabovsky beschrijft de principes van de water gestabiliseerde plasma toorts en de hybride water/gas gestabiliseerde plasma toorts, beiden DC gevoed in: “Water Stabilized Plasma Torch WSP® and Hybrid Torch WSP®H „ , Institute of Plasma Physics AS CR Praha, Czech Republic.Milan Hrabovsky describes the principles of the water-stabilized plasma torch and the hybrid water / gas-stabilized plasma torch, both DC powered in: "Water Stabilized Plasma Torch WSP® and Hybrid Torch WSP®H", Institute of Plasma Physics AS CR Praha, Czech Republic.

Meestal worden plasma-jet generatoren gekoeld door water.Plasma jet generators are usually cooled by water.

GB0822869.4 omschrijft verschillende toepassingen waarbij water wordt gebruikt als reactant voor de productie van thermische energie.GB0822869.4 describes different applications where water is used as a reactant for the production of thermal energy.

In de huidige uitvinding wordt de reactant rechtstreeks gevoed aan de plasma-jet binnenin de plasma-jet generator op volgende manieren: a. De reactant kan via de opening 18-2, 18-2‘ aan een minimale sneljeid van 100m/sec in de koelkamer worden gevoed. De reactant neemt hier de functie van het koelmiddel op zich. De reactant functioneerd terzelfdertijd ook als koelmiddel en de koelkamer is in feite een vortex en functioneerd als een mogelijkheid voor een direkte toevoer van de reactant naar de plasma-jet, door de openingen gemaakt in de binnenwand 14-2, 14-2‘ wordt de reactant binnenin de plasma-jet generator gevoed aan een snelheid van minimaal 200m/sec en waarbij door het ontwerp van de koeling vortex de reactant aan een grote snelheid tangentiaal rond de voorbijrazende plasma-jet draaid en waarbij enerzijds de verkoelende reactant een isolerende film vormt aan de binnenwand 14-2,14-2* van de koeling vortex waardoor de plasma-jet generator stabiel wordt gehouden en terzelfdertijd de reactant direct in kontakt komt met de hoge temperatuur van de plasma-jet gedurende een veelvod in tijd vergeleken met de extreem korte kontakt tijd in prior art. Via de indirekte koeling gebruikt in de prior art ging een belangrijke hoeveelheid van de energie aanwezig in de plasma-jet verloren. De direkte koeling gebruikt in deze uitvinding absorbeerd de energie en wordt samengevoegd met de plasma-jet terwijl het koelmiddel dat ook functioneerd als reactant door de plasma-jet wordt omgevormd binnenin de plasma-jet generator en de atomaire energie die door de omvorming vrijkomt eveneens aan de plasma-jet wordt toegevoegd en dit alles bij de meest beschikbare energie waardoor de omzetting van de reactant optimaal kan worden uitgevoerd; b. De reactant kan via de opening 17-17* in de vortex flow generating nozzle 13-13* worden gevoed. De reactant neemt hier de functie van het werkgas op zich terwijl de vortex flow generating nozzle als een mogelijkheid wordt gebruikt voor een direkte toevoer van de reactant naar de plasma-jet binnenin de plasma-jet generator. Binnenin de vortex flow generating nozzle beweegt de reactant cirkelvormig aan een snelheid van minimaal 100m/sec.In the present invention, the reactant is fed directly to the plasma jet within the plasma jet generator in the following ways: a. The reactant can be fed through the aperture 18-2, 18-2 'at a minimum speed of 100 m / sec into the cold room. The reactant here assumes the function of the coolant. The reactant also functions as a coolant at the same time and the cooling chamber is in fact a vortex and functions as a possibility for a direct supply of the reactant to the plasma jet, through the openings made in the inner wall 14-2, 14-2 '. reactant within the plasma jet generator fed at a speed of at least 200 m / sec and whereby the design of the cooling vortex rotates the reactant at a high speed tangentially around the passing plasma jet and on the one hand the cooling reactant forms an insulating film on the inner wall 14-2,14-2 * of the cooling vortex whereby the plasma jet generator is kept stable and at the same time the reactant comes into direct contact with the high temperature of the plasma jet during a multitude of time compared to the extremely short contact time in prior art. Through the indirect cooling used in the prior art, a significant amount of the energy present in the plasma jet was lost. The direct cooling used in this invention absorbs the energy and is combined with the plasma jet while the coolant that also acts as a reactant is transformed by the plasma jet inside the plasma jet generator and the atomic energy released by the transformation also to the plasma jet is added and all this with the most available energy, so that the reactant conversion can be carried out optimally; b. The reactant can be fed through the opening 17-17 * in the vortex flow generating nozzle 13-13 *. Here, the reactant assumes the function of the working gas while the vortex flow generating nozzle is used as a possibility for a direct supply of the reactant to the plasma jet within the plasma jet generator. Inside the vortex flow generating nozzle, the reactant moves circularly at a speed of at least 100 m / sec.

c. Vervolgens wordt de reactant door de opening 13-1, 13-Γ in de gaskamer 15 gevoed aan een snelheid van minimaal 200m/sec waarbij de reactant binnenin de gaskamer 15 aan de binnenwand van de vortex flow generating nozzle aan een hoge snelheid tangentiaal rond de plasma-jet raast, dus opnieuw binnenin de plasma-jet generator. Deze snel rond draaiende beweging van de verkoelende reactant tangentiaal op de plasma-jet beschermd enerzijds de plasma-jet generator tegen de enorme hitte geproduceerd door de plasma-jet en anderzijds is de kontakttijd met de hoge temperatuur van de plasma-jet een veelvoud in vergelijking met de in de prior art beschikbare kennis, waardoor een veel efficientere omvorming van de reactant mogelijk is.c. Subsequently, the reactant is fed through the opening 13-1, 13-Γ in the gas chamber 15 at a speed of at least 200 m / sec, the reactant inside the gas chamber 15 on the inner wall of the vortex flow generating nozzle being connected at a high speed tangentially around the plasma jet rages, so again inside the plasma jet generator. This rapidly revolving movement of the cooling reactant tangentially on the plasma jet protects the plasma jet generator against the enormous heat produced by the plasma jet and on the other hand the contact time with the high temperature of the plasma jet is a multiple compared with the knowledge available in the prior art, which makes a much more efficient conversion of the reactant possible.

Voorbeeld 2: Vernietiging van bijzonder toxisch afvalExample 2: Destruction of particularly toxic waste

Wanneer bijzonder toxische stoffen onschadelijk dienen gemaakt te worden is het belangrijk dat zij gegarandeerd worden blootgesteld aan voldoende hoge temperaturen en dit gedurende een voldoende lange periode.If particularly toxic substances are to be made harmless, it is important that they are guaranteed to be exposed to sufficiently high temperatures for a sufficiently long period.

Wanneer je de werking van de plasma-jet generator uiteengezet in voorbeeld 1. volgt wordt het duidelijk dat de reactant, dus de bijzonder toxische stoffen, aan de hoogst mogelijke temperaturen binnenin de plasma-jet generator van de plasma-jet worden onderworpen. Het is voornamelijk de tangentiaal ronddraaiende beweging rond de plasma-jet, teweeggebracht door de vortex flow generating nozzle , die ervoor zal zorgen dat de toxische stoffen een maximale tijd direkt in kontakt zullen zijn met de enorme hitte geproduceerd door de plasma-jet.Following the operation of the plasma jet generator set forth in Example 1. it becomes clear that the reactant, i.e. the particularly toxic substances, is subjected to the highest possible temperatures within the plasma jet generator of the plasma jet. It is primarily the tangential rotating movement around the plasma jet triggered by the vortex flow generating nozzle that will ensure that the toxic substances will be in direct contact with the enormous heat produced by the plasma jet for a maximum time.

Bijkomend en alleen indien noodzakelijk kunnen de toxisch stoffen axiaal in het center van de plasma-jet gevoed worden door een opening gemaakt in de toorts center elektrode, de kathode 11. (Niet afgebeeld op de tekeningen)Additionally and only if necessary, the toxins can be fed axially into the center of the plasma jet through an opening made in the torch center electrode, the cathode 11. (Not shown on the drawings)

Claims

A plasma jet generating device consisting of two or more electrodes comprising: A first electrode comprising: a torch center electrode 11; and a torch nozzle 12 with a first and second end and said torch center electrode facing the first end; A first DC power supply PS1 is connected to the ends of the torch center electrode and to the torch nozzle 12 of the first electrode to produce a plasma jet in conjunction with a working gas with the plasma jet flowing through the torch nozzle; A second electrode is formed with a vortex flow / discharge unit 13 enclosed between the first torch nozzle 12 and the second torch nozzle 14 through which the gas chamber 15 is formed and connected to a second DC power supply PS2, one end of which is connected to said one torch nozzle 12 and the other end to the torch nozzle 14; A possible third electrode is formed with a vortex flow / discharge unit 13 'enclosed between the preceding torch nozzle 14 and the following torch nozzle 14' thereby forming the gas chamber 15 'and connected to a third DC power supply PS2' with one end connected at said torch is nozzle 14 and the other end is at torch nozzle 14 '; And wherein the openings 18-1, 18-2, 18-2 'serve as a feed for bringing the cooling means into the cooling space CM and then the cooling means via the evenly distributed holes in the inner wall 14-2, 14-2' to get in direct contact with the plasma jet; And wherein the openings 17, 17 "are the feed for introducing the working gas inside the vortex flow generating nozzle 13, 13" and then introducing it into the gas chamber 15 via the evenly distributed holes in the inner wall 13-1, 13-Γ;

2. A plasma jet generating device as described in claim 1. Fed with an AC power supply

3. A gas-stabilized plasma jet generating device DC powered as known in the prior art

4. A gas-stabilized plasma jet generating device AC powered as known in the prior art

5. A gas-stabilized piasma-jet generating device DC / AC powered as known in the prior art

6. A classic induction plasma jet generating device as known in the prior art

7. A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the working gas in the aforementioned openings 17, 17 "is fed at a speed of at least 100 m / sec;

A plasma jet generator as described in claims 1 to 6. wherein the working gas in the aforementioned holes in the inner wall 13-1, 13-Γ is fed at a speed of at least 200 m / sec;

9. A plasma jet generator as described in claims 1 to 6. wherein the inner wall 14-2, 14-2 'of the cooling chamber contains uniformly distributed openings through which the coolant can cool the plasma jet directly;

10. A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the openings 18-2, 18-2 function as feed for the reactant inside the cooling chamber and whereupon the reactant through the holes in the inner wall 14-2 14-2 'is fed directly into the plasma jet;

A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the reactant functions as a coolant;

12. A plasma jet generator as described in claims 1 to 6. wherein the openings 17, 17 'function as feed to feed the reactant within the vortex flow generating nozzle 14, 14' and subsequently the reactant passes through the openings 13-1, 13-Γ are fed tangentially to the plasma jet;

A plasma jet generator as described in claims 1 to 6. wherein the reactant functions as working gas

14. A plasma jet generator as defined in claims 1 to 6. wherein the reactant comprises all kinds of substances, whether toxic or non-toxic, solid, liquid or solid, including water and steam;

A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the space for the refrigerant is used to directly feed the reactants to the plasma jet;

A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the vortex flow generating nozzle is used as a direct feed for the reactants to the plasma jet;

A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein from the third electrode the ionized plasma gas produced by the second electrode is used as the working gas;

A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the plasma jet is directly cooled through the openings made in the inner wall 14-2, 14-2 "of the cooling chamber;

A plasma jet generator as described in Claims 1 to 6. wherein the reactant transformation is within the plasma jet generator;

20. A plasma jet generator as described in claims 1 to 6. wherein the feeding of the reactant within the plasma jet generator can be done simultaneously axially through the bore in the cathode in the center of the plasma jet, tangentially via the openings made in the inner wall 14-2, 14-2 'of the cooling chamber and tangentially via the vortex flow generating nozzle; 2L A plasma jet generator as described in claims 1 to 6. wherein the feeding of the reactant within the plasma jet generator can be done through the openings 18-2, 18-2 'of the vortex flow generating nozzle and subsequently feeding the reactant through the openings 13-1,13-1 'wherein the reactant races tangentially and at a high speed around the plasma jet whereby the contact time with the high temperature produced by the plasma jet and the reactant, inside the plasma jet generator, is a multiple compared to what is known in the prior art and wherein the reaction temperature of the plasma jet is much higher than if the feed were to occur outside the plasma jet generator;