BE1019026A3 - Werkwijze en inrichting voor het genereren van energie met behulp van een plasmajet generator. - Google Patents

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.

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET GENEREREN VAN ENERGIE MET BEHULP VAN EEN PLASMAJET GENERATOR

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

1. Gebied van de uitvinding

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.

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.

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.

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.

2, Prior art - Stand der techniek

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.

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.

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” .

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.

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.

\

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.

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.

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 ‘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.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

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.

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.

C) Elke elektrode wordt individueel gevoed door een DC voeding.

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.

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.

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.

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.

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.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

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).

BESCHRIJVING VAN DE 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.

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.

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 :

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.

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.

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.

(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’.

(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.

(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.

(e) De spanning Vi2-i4 verandert in directe verhouding tot de verandering van de gasstroom in de 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.

(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.

(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.

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.

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.

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.

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.

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.

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’).

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.

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.

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.

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.

VOORBEELDEN

Enkele voorbeelden illustreren de uitvinding zonder tot deze beperkt te zijn.

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.

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.

Meestal worden plasma-jet generatoren gekoeld door water.

GB0822869.4 omschrijft verschillende toepassingen waarbij water wordt gebruikt als reactant voor de productie van thermische energie.

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.

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.

Voorbeeld 2: Vernietiging van bijzonder toxisch afval

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.

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.

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)

Claims (20)

1. Een plasma jet genererend apparaat bestaande uit twee of meerdere electrodes bestaande uit: Een eerste elektrode omvattende: een toorts centrum elektrode 11; en een toorts mondstuk 12 met een eerste en tweede uiteinde en waarbij de genoemde toorts center electrode gericht is naar het eerste uiteinde; Een eerste DC voeding PS1 is aangesloten aan de uiteinden van de toorts center elektrode en aan de toorts mondstuk 12 van de eerste elektrode voor het produceren van een plasma-jet in samenwerking met een werkend gas waarbij de plasma-jet door de toorts mondstuk stroomt; Een tweede elektrode wordt gevormd waarbij een vortex flow/ontladingseenheid 13 is ingesloten tussen het eerste toorts mondstuk 12 en de tweede toorts mondstuk 14 waardoor de gaskamer 15 wordt gevormd en is verbonden met een tweede DC voeding PS2 waarvan het ene uiteinde verbonden is aan de genoemde toorts mondstuk 12 en het andere uiteinde aan de toorts mondstuk 14; Een mogelijks derde elektrode wordt gevormd waarbij een vortex flow/ontladingseenheid 13’ is ingesloten tussen de voorgaande toortsmondstuk 14 en de volgende toorts mondstuk 14’ waardoor de gaskamer 15’ wordt gevormd en is verbonden met een derde DC voeding PS2’ waarvan het ene uiteinde verbonden is aan de genoemde toorts mondstuk 14 en het andere uiteinde aan de toorts mondstuk 14’; En waarbij de openingen 18-1, 18-2, 18-2’ dienen als toevoer om het koeling middel in de koelruimte CM te brengen en vervolgens het koeling middel via de gelijkmatig verdeelde gaten in de binnenwand 14-2, 14-2’ rechtstreeks in contact te brengen met de plasma-jet ; En waarbij de openingen 17, 17’ de toevoer zijn om het werkgas binnenin de vortex flow generating nozzle 13, 13’ te brengen en vervolgens via de gelijkmatig verdeelde gaten in de binnenwand 13-1, 13-Γ in de gaskamer 15 te brengen;

2. Een plasma-jet genererend apparaat zoals omschreven in bewering 1. Gevoed met een AC voeding

3. Een gas gestabiliseerde plasma-jet genererend apparaat DC gevoed zoals gekend in de prior art

4. Een gas gestabiliseerde plasma-jet genererend apparaat AC gevoed zoals gekend in de prior art

5. Een gas gestabiliseerde piasma-jet genererend apparaat DC/AC gevoed zoals gekend in de prior art

6. Een klassieke inductie plasma-jet genererend apparaat zoals gekend in de prior art

7. Een plasma-jet generator zoals omschreven in bewering 1 tot en met 6. waarbij het werkgas in de vernoemde openingen 17, 17’ wordt gevoed met een snelheid van minimaal 100m/sec;

8. Een plasma-jet generator zoals omschreven in bewering 1 tot en met 6. waarbij het werkgas in de vernoemde gaten in de binnenwand 13-1, 13-Γ wordt gevoed met een snelheid van minimaal 200m/sec;

9. Een plasma-jet generator zoals omschreven in bewering 1 tot en met 6. waarbij de binnenwand 14-2, 14-2’ van de koelkamer gelijkmatig verdeelde openingen bevat waardoor het koelmiddel de plasma-jet direct kan afkoelen;

10. Een plasma-jet generator zoals omschreven in bewering 1 tot en met 6. waarbij de openingen 18-2, 18-2 fungeren als toevoer voor de reactant binnenin de koelkamer en waarbij vervolgens de reactant door de gaatjes in de binnenwand 14-2, 14-2’ rechtstreeks in de plasma-jet wordt gevoed;

11. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de reactant functioneert als koelmiddel;

12. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de openingen 17, 17’ functioneren als toevoer om de reactant binnenin de vortex flow generating nozzle 14, 14’ te voeden en waarbij vervolgens de reactant door de openingen 13-1, 13-Γ tangentiaal naar de plasma-jet worden gevoed;

13. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de reactant functioneert als werkgas

14. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering ltot en met 6. waarbij de reactant alle soorten stoffen omvat, hetzij toxisch of niet toxisch, vast, vloeibaar of vast, inclusief water en stoom;

15. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de ruimte voor het koelmiddel gebruikt wordt om de reactanten rechtstreeks te voeden aan de plasma-jet;

16. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de vortex flow generating nozzle gebruikt wordt als directe toevoer voor de reactanten aan de plasma-jet;

17. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij vanaf de derde elektrode het geïoniseerde plasmagas geproduceerd door de tweede elektrode gebruikt wordt als werkgas;

18. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de plasma-jet direct wordt gekoeld door de openingen gemaakt in de binnenwand 14-2, 14-2’ van de koelkamer;

19. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de omvorming van de reactant gebeurd binnenin de plasma-jet generator;

20. Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de voeding van de reactant binnenin de plasma-jet generator simultaan kan gebeuren axiaal door de boring in de cathode in het centrum van de plasma-jet, tangentiaal via de openingen gemaakt in de binnenwand 14-2, 14-2’ van de koelkamer en tangentiaal via de vortex flow generating nozzle; 2L Een plasma-jet generator zoals omschreven in de bewering 1 tot en met 6. waarbij de voeding van de reactant binnenin de plasma-jet generator kan gebeuren door de openingen 18-2, 18-2’ van de vortex flow generating nozzle om vervolgens de reactant te voeden door de openingen 13-1,13-1’ waarbij de reactant tangentiaal en aan een hoge snelheid rond de plasma-jet raast waardoor de contact-tijd met de hoge temperatuur geproduceerd door de plasma-jet en de reactant, binnenin de plasma-jet generator, een veelvoud is vergeleken met wat bekend is in de prior art en waarbij de reactie temperatuur van de plasma-jet veel hoger is dan wanneer de voeding buiten de plasma-jet generator zou gebeuren;