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La présente invention a pour objet un dispositif pour la production de courants de gaz à haute densité d'énergie et de haute température par chauffa- ge de gaz dans l'arc électrique alimenté en courant monophasé ou polyphasé. Par "gaz" on désigne aussi pour les buts de la présente invention des vapeurs, par exemple la vapeur d'eau, des vapeurs d'hydrocarbures etc.
Divers procédés ont été proposés pour le chauffage de gaz dans l'arc électrique. Selon ces procédés on utilise des arcs à haute tension ou des ares à forte intensitéo Parmi les installations à forte intensité on a utilisé de pré- férence celles alimentées de courant continu, étant donné la difficulté de produi- re un arc électrique uniforme à haute puissance entre des électrodes métalliques alimentées en courant alternatif ou triphasé. Les dispositifs à courant continu ont toutefois l'inconvénient d'être, en règle générale, plus chers en ce qui côn- cerne le prix de revient que les dispositifs alimentés en courant alternatif ou triphasé et d'opérer avec des pertes plus élevées, en raison des possibilités de réglage plus défavorables.
Pour obtenir une puissance thermique suffisante de l'arc, la puissan- ce absorbée de l'arc doit être assez grande. Si l'on augmente l'intensité de cou- rant il faut tenir compte de ce que la densité de courant dans la section trans- versale des électrodes n'excède pas certaines valeurs, étant donné que les élec- trodes doivent être maintenues froides, tandis que la largeur de la section trans- versale des électrodes est très limitée en raison de la construction et de l'ef- ficàcité thermique.
Si l'on veut appliquer une tension de fonctionnement de l'arc plus élevée, il faut que la distance des électrodes entre elles soit relativement gran- de, même pour une opération normale. Cela exige une distance suffisante entre les électrodes et la paroi de la chambre de fonctionnement pour éviter un passage d'étincelles de l'arc à la paroi.
Par cette mesure toutefois le volume de la chambre de fonctionnement est augmenté, ce qui a pour conséquence, la diminution de la densité d'énergie pour une puissance déterminée, densité d'énergie qui est d'intérêt pour ce processuso
La présente invention a pour objet un dispositif qui permet d'éviter les difficultés mentionnées ci-dessus et d'atteindre un fonctionnement tranquil- le d'un arc à forte intensité entre des électrodes en graphite alimentées en cou - rant monophasé ou polyphasé même si on introduit de grandes quantités de gaz dans la chambre de fonctionnement d'arc servant de chambre de réaction. Les densités d'énergie étant de l'ordre de 109 koal m3h.
Le dispositif d'après l'invention pour la production d'un courant de gaz de haute densité d'énergie par chauffage de gaz dans l'arc électrique à cou- rant monophasé ou polyphasé comprend au moins deux électrodes pénétrant dans l'in- térieur de la chambre de fonctionnement d'arc servant de chambre de réaction.
Dans la zone où les électrodes entrent dans la chambre de réaction, chaque élec- trode est entourée d'un conduit annulaire pour l'amenée du gaz, de sorte que chaque électrode est uniformément entourée'd'un courant composant du gaz à chauf- fer, gaz qui entre dans la chambre de réaction en traversant l'arc électrique.
Dans un mode de construction particulier du dispositif selon l'inven- tion, la boite de la chambre de fonctionnement d'arc est pourvue d'une fente an- nulaire munie d'une tubulure par laquelle on peut introduire dans la chambre de réaction un courant de gaz additionnel en vue de le mélanger avec les courants de gaz chauffés dans l'arc.
Selon un mode de construction avantageux du dispositif objet de l'in- vention, les électrodes forment un angle aigu, ou bien se trouvent presque paral- lèles l'une à l'autre, les courants composants de gaz étant réunis dans la chambre de réaction d'une manière tangentielle.
De plus, on peut prévoir des dispositifs pour le réglage de la vites-
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se avec laquelle le gaz passe par l'arc, la proportion entre l'intensité et la tension de l'arc pouvant être réglée par cette vitesse de gaz.
Dans des dispositifs à courant polyphasé l'amenée des courants compo- sants de gaz conduits le long des électrodes peut être interrompue périodiquement au moyen d'un appareil de fermeture actionné simultanément par la fréquence de régime, de sorte que chaque électrode n'est entourée du gaz à chauffer qu'au mo- ment où elle produit l'arc électrique.
La chambre de réaction;peut être pourvue d'un revêtement réfléchis- sant les rayons lumineux et les rayons calorifigues. A part cela, elle peut être pourvue d'un revêtement poreux à travers lequel un courant de gaz ou de liquide introduit et circulant dans un espace entre le revêtement et la paroi de la cham- bre de réaction diffuse à la chambre de réaction et recouvre le revêtement de la chambre de réaction d'un brouillard de gaz ou de liquide. De cette manière on évite qu'une transmission de chaleur trop forte aux parois de la chambre de réac- tion ne se produise par convection.
Dans les fentes annulaires et les conduits annulaires pour l'intro- duction des gaz dans la chambre de réaction on peut disposer des diffuseurs en matière poreuse cuite ou frittée. La position de la fente annulaire dans la boî- te de la chambre de fonctionnement d'arc est variable par rapport à la position de l'arc.
En outre, la direction dans laquelle les gaz sortent de cette fente annulaire peut être variable.
Pour ce qui concerne les détails, il faut faire les remarques sui- vantes
Le gaz à chauffer est divisé en plusieurs courants composants pareils entre eux, chacun de ces courants composants étant amené à une électrode. En en- trant dans la chambre de fonctionnement d'arc, chaque courant composant envelop- pe comme une chemise l'électrode correspondante et la refroidit simultanément.
Le rapport entre l'intensité et la tension de l'arc peut être modifié par le réglage de la vitesse avec laquelle le gaz est introduit dans la chambre de réaction. Dans l'arrangement selon l'invention le gaz en mouvement entraîne les porteurs de charge de l'arc sur une certaine distance, augmentant ainsi la longueur de l'arc et, par conséquent, sa résistance. Ceci permet d'utiliser une tension de fonctionnement d'arc élevée malgré une petite distance entre les élec- trodes. De cette manière on atteint bien une puissance d'entrée élevée et une densité d'énergie accrue, étant donné que la chambre de fonctionnement d'arc de- vient plus petite si la distance entre les électrodes ainsi que le diamètre d'é- lectrode sont plus petits. Ces phénomènes sont particulièrement prononcés si les électrodes sont presque parallèles l'une à l'autre.
Il peut être avantageux de procéder d'une manière telle qu'une partie du volume de gaz de départ ou d'un autre gaz servant de réactif n'est pas chauf- fé dans l'arc, mais qu'on mélange dans la chambre de fonctionnement d'arc, cet- te partie de gaz ou l'autre gaz à l'état froid ou préchauffé avec les courants composants de gaz chauffés dans l'arc. La zone de la section transversale de la chambre de réaction dans laquelle on ajoute avantageusement ce gaz additionnel dépend de chaque cas d'espèce. La position de la fente annulaire par laquelle le gaz additionnel entre dans la chambre de réaction est donc avantageusement va- riable, eu égard à la position de l'arc.
Par cette introduction d'un gaz additionnel selon l'invention on ré- duit considérablement le risque d'un passage d'étincelles de l'arc aux parois de la chambre de fonctionnement. En même temps on peut ainsi diminuer la trans- mission de la chaleur aux parois par convection.
Pour diminuer les pertes en chaleur produites par l'absorption d'éner-
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gie rayonnante par les parois, la chambre de fonctionnement d'arc est avantageu- sement constituée en une matière à grand pouvoir réflecteur, ou est revêtue d'une telle matière. La forme et l'état de surface des parois de la chambre de fonc- tionnement servant de chambre de réaction sont aussi importants, étant donné qu'il faut diminuer dans la mesure du possible la transmission de la chaleur du gaz chaud en mouvement à la paroi de la chambre de réaction. C'est pourquoi l'é- coulement de gaz doit être aussi laminaire que possible, abstraction faite d'une couche limite mince. En outre, une surface lisse de la chambre de réaction em- pêche des dépôts éventuels de produits de réaction tels que le noir de fumée.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à ti- tre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
Le dessin est une coupe longitudinale.
La boite de la chambre de fonctionnement d'arc est formée du corps 2 symétrique par rapport à l'arc et de la bride 10 comportant des supports pour les électrodes. Dans le corps de base 2 est ménagé un conduit annulaire 3 pour un réfrigérant. La chambre de fonctionnement d'arc servant de chambre de réac- tion 4 est disposée centriquement dans la boîte de la chambre de fonctionnement d'arc 2-100 Sous le corps 2 se trouve la bride 10 qui est associée d'une maniè- re à être étanche au gaz au corps 2 par des rainures munies d'anneaux d'étanchéi- té et des nervures 5. Un conduit annulaire entourant concentriquement la chambre de fonctionnement d'arc est désigné par 6. Le cas échéant, on peut introduire un gaz dans ce conduit annulaire 6 par la tubulure 8.
Ce gaz entre, comme il est indiqué par les flèches 9, dans la chambre de réaction 4 par la fente annulaire 7 ménagée entre le corps 2 et la bride 10.
La bride 10 qui est également symétrique par rapport à l'axe est con- centriquement fixée sur le corps 2. Elle est garnie de logements pour les douil- les de traversée 20 qui supportent les électrodes 30. Le nombre de douilles de traversée 20 et des électrodes 30 dépend du nombre de phases de l'installation génératrice de courant. Les douilles de traversée 20 sont garnies, en sens axial, de conduits, par exemple de conduits annulaires 22, dans lesquels le gaz à chauf- fer est introduit par des tubulures 21. Ce gaz passe par les conduits annulai- res 22 en entourant les électrodes 30 comme une enveloppe et entre dans la cham- bre de réaction 4 en traversant, tout en étant chauffé, l'arc produit entre les électrodes.
Le cas échéant on peut introduire en même temps, par la tubulure 8, un autre gaz servant de réactif, gaz qui passe par le conduit annulaire 6 et la fente annulaire 7 et arrive à la zone la plus chaude de la chambre de réaction 4.
Les douilles de traversée 20 doivent être électriquement isolées, non seulement l'une de l'autre mais encore de la bride 100 A cet effet, on peut uti- liser avantageusement des couches d'oxyde d'aluminium produites par oxydation ano- dique.
Dans des cas spéciaux il peut être avantageux d'utiliser, à petite vitesse de gaz, un courant de gaz plus diffusé. A cet effet, on prévoit dans la fente annulaire 7 et/ou les conduits annulaires*. 22 un anneau en matière poreuse frittée servant de diffuseur.
Pour rendre les conduits annulaires 22 étanches au gaz vis-à-vis de l'extérieur, on utilise les anneaux 23 contenant des organes d'étanchéité ne figurant pas sur le dessin.
Les électrodes 30 sont automatiquement avancées, de manière connue, à mesure qu'elles sont consommées.
Par des mesures spéciales on maintient aussi petite que possible la quantité de chaleur perdue et on en retourne au procédé des portions aussi gran- des que possible.
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Il y a avantage à donner un grand pouvoir réflecteur aux parois de la chambre de réaction 4, en utilisant un matériel approprié d'un état de surfa- ce de haute qualité approprié. Un tel état superficiel approprié empêche aussi le dépôt de produits de réaction'tels que le noir de fumée. A l'intérieur du corps 2 est disposé un conduit annulaire 3 par lequel on peut faire passer un ré- frigérant approprié. Dans des conditions appropriées, par exemple si la vitesse de gaz est suffisamment grande et/ou si la conductibilité thermique du gaz en question est assez grande, on peut utiliser comme réfrigérant un des réactifs ga- zeux à introduire dans la chambre de réaction 4.
Dans ce cas, le réactif en ques- tion circule, avant d'être introduit dans la chambre de réaction, dans le conduit annulaire 3 et refroidit ainsi le corps 2 et est lui-même simultanément préchauf- fé.
Surtout pour la transformation de puissances relativement petites, le capot 40 qui entoure le dispositif objet de l'invention à certaine distance et dont le côté intérieur réfléchit la radiation permet d'obtenir, selon le prin- cipe connu de la réflexion multiple d'une radiation, une isolation calorifique additionnelle et, par conséquent, une réduction de la puissance échauffante à produire.
Dans des cas spéciaux il peut être avantageux que les courants compo- sants de gaz arrivant à la chambre de réaction 4 par les conduits annulaires 22 en passant le long des électrodes ne soient pas introduits d'une manière continue, mais qu'on les interrompe alternativement et périodiquement en échange cyclique, de sorte que chaque courant composant de gaz soit interrompu dès que l'électrode correspondante est sans courant. Cela peut être effectué au moyen d'un appareil de fermeture actionné simultanément par la fréquence de régime.
On peut utiliser les courants de gaz ainsi chauffés à des températures élevées pour diverses applications, le cas échéant en appliquant une tuyère de détente à profil approprié. C'est ainsi que l'on peut utiliser directement l'é- nergie thermique du courant de gaz pour couper, souder ou faire fondre des sub- stances ou pour le dédoublement thermique de composés introduits à l'état gazeux.
Dans d'autres cas on peut transformer l'énergie thermique en énergie cinétique qui se prête, par exemple, à la commande d'appareils moteurs a jet. En outre, l'énergie latente présente dans le dédoublement thermique de molécules de gaz en atomes peut être utilisée comme chaleur de recombinaison pour des réactions chimiques endothermiques.
Il va sans dire que l'on peut employer le dispositif représenté sur le dessin annexé dans chaque position voulue dans l'espace. Il peut être utili- sé, par exemple, dans une position renversée eu égard à la position représentée sur le dessin annexé ; dans ce cas les électrodes et les orifices d'émission de gaz sont tournés vers le bas.
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The present invention relates to a device for the production of gas streams with high energy density and high temperature by heating gas in the electric arc supplied with single-phase or polyphase current. By "gas" is also meant for the purposes of the present invention vapors, for example water vapor, hydrocarbon vapors and the like.
Various methods have been proposed for heating gas in the electric arc. According to these processes, high voltage arcs or high intensity arcs are used. Among the high intensity installations, those supplied with direct current have been preferably used, given the difficulty of producing a uniform electric arc at high power. between metal electrodes supplied with alternating or three-phase current. However, direct current devices have the disadvantage of being, as a general rule, more expensive in terms of cost than devices supplied with alternating or three-phase current and of operating with higher losses, in particular. due to the more unfavorable adjustment possibilities.
To obtain sufficient thermal power from the arc, the absorbed power of the arc must be large enough. If the current intensity is increased, it must be taken into account that the current density in the cross-section of the electrodes does not exceed certain values, since the electrodes must be kept cold, while the width of the cross-section of the electrodes is very limited due to the construction and thermal efficiency.
If a higher operating voltage of the arc is to be applied, the distance of the electrodes between them must be relatively large, even for normal operation. This requires a sufficient distance between the electrodes and the wall of the operating chamber to prevent the passage of sparks from the arc to the wall.
By this measure, however, the volume of the operating chamber is increased, which has the consequence of reducing the energy density for a given power, energy density which is of interest for this process.
The object of the present invention is a device which makes it possible to avoid the difficulties mentioned above and to achieve quiet operation of a high intensity arc between graphite electrodes supplied with single-phase or polyphase current even if Large quantities of gas are introduced into the operating arc chamber serving as the reaction chamber. The energy densities being of the order of 109 koal m3h.
The device according to the invention for the production of a gas stream of high energy density by heating gas in the single-phase or polyphase electric arc comprises at least two electrodes penetrating into the interior. interior of the arc operating chamber serving as the reaction chamber.
In the area where the electrodes enter the reaction chamber, each electrode is surrounded by an annular conduit for the supply of gas, so that each electrode is uniformly surrounded by a component stream of the heating gas. iron, gas which enters the reaction chamber by crossing the electric arc.
In a particular mode of construction of the device according to the invention, the box of the arc operating chamber is provided with an annular slot provided with a tubing through which one can introduce into the reaction chamber. additional gas stream for mixing with the heated gas streams in the arc.
According to an advantageous mode of construction of the device which is the subject of the invention, the electrodes form an acute angle, or else are located almost parallel to each other, the component streams of gas being united in the chamber. reaction in a tangential way.
In addition, devices can be provided for adjusting the speed.
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with which the gas passes through the arc, the proportion between the intensity and the voltage of the arc being able to be regulated by this gas speed.
In polyphase current devices, the supply of the component gas streams conducted along the electrodes can be interrupted periodically by means of a closing device actuated simultaneously by the operating frequency, so that each electrode is not surrounded. of the gas to be heated only when it produces the electric arc.
The reaction chamber may be provided with a coating which reflects light rays and heat rays. Apart from this, it may be provided with a porous coating through which a stream of gas or liquid introduced and circulating in a space between the coating and the wall of the reaction chamber diffuses to the reaction chamber and covers. coating the reaction chamber with a gas or liquid mist. In this way, too much heat transmission to the walls of the reaction chamber is prevented from occurring by convection.
In the annular slots and the annular conduits for the introduction of the gases into the reaction chamber, diffusers of baked or sintered porous material can be arranged. The position of the annular slot in the arc working chamber housing is variable with respect to the position of the arc.
In addition, the direction in which the gases exit from this annular slot can be variable.
As far as details are concerned, the following remarks must be made
The gas to be heated is divided into several component streams similar to each other, each of these component streams being fed to an electrode. On entering the operating arc chamber, each component current envelops the corresponding electrode like a jacket and cools it simultaneously.
The relationship between the intensity and the voltage of the arc can be changed by adjusting the rate with which gas is introduced into the reaction chamber. In the arrangement according to the invention, the moving gas drives the charge carriers of the arc over a certain distance, thus increasing the length of the arc and, consequently, its resistance. This allows a high arc operating voltage to be used despite a small distance between the electrodes. In this way a high input power and an increased energy density are achieved, since the operating arc chamber becomes smaller if the distance between the electrodes as well as the electrode diameter. are smaller. These phenomena are particularly pronounced if the electrodes are almost parallel to each other.
It may be advantageous to proceed in such a way that part of the volume of the starting gas or other reactant gas is not heated in the arc, but is mixed in the chamber. arc operation, that part of gas or the other gas in a cold or preheated state with the component streams of heated gases in the arc. The area of the cross section of the reaction chamber in which this additional gas is advantageously added depends on each individual case. The position of the annular slot through which the additional gas enters the reaction chamber is therefore advantageously variable, having regard to the position of the arc.
By introducing an additional gas according to the invention, the risk of sparks passing from the arc to the walls of the operating chamber is considerably reduced. At the same time, the transmission of heat to the walls by convection can thus be reduced.
To reduce the heat losses produced by the absorption of energy
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Radiating through the walls, the arc operating chamber is advantageously made of a material with high reflectivity, or is coated with such a material. The shape and surface condition of the walls of the operating chamber serving as the reaction chamber are also important, since the transfer of heat from the hot gas in motion to the heat must be reduced as far as possible. wall of the reaction chamber. Therefore the gas flow should be as laminar as possible, disregarding a thin boundary layer. In addition, a smooth surface of the reaction chamber prevents possible deposits of reaction products such as carbon black.
The description which will follow with reference to the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the drawing and from the text forming, of course, part of said invention.
The drawing is a longitudinal section.
The box of the arc operating chamber is formed of the body 2 symmetrical with respect to the arc and of the flange 10 comprising supports for the electrodes. In the base body 2 is formed an annular duct 3 for a coolant. The arc working chamber serving as the reaction chamber 4 is arranged centrally in the box of the arc working chamber 2-100 Under the body 2 is the flange 10 which is associated in a manner. to be gas-tight to the body 2 by grooves provided with sealing rings and ribs 5. An annular duct concentrically surrounding the arc operating chamber is designated by 6. If necessary, a gas in this annular duct 6 via the pipe 8.
This gas enters, as indicated by the arrows 9, into the reaction chamber 4 through the annular slot 7 formed between the body 2 and the flange 10.
The flange 10, which is also symmetrical with respect to the axis, is centrally fixed to the body 2. It is provided with housings for the bushings 20 which support the electrodes 30. The number of bushings 20 and of the electrodes 30 depends on the number of phases of the current-generating installation. The bushings 20 are lined, in the axial direction, with conduits, for example annular conduits 22, into which the gas to be heated is introduced through pipes 21. This gas passes through the annular conduits 22, surrounding the tubes. electrodes 30 as an envelope and enters the reaction chamber 4 by passing through, while being heated, the arc produced between the electrodes.
If necessary, it is possible to introduce at the same time, via the pipe 8, another gas serving as a reagent, which gas passes through the annular duct 6 and the annular slit 7 and arrives at the hottest zone of the reaction chamber 4.
The bushings 20 must be electrically insulated, not only from each other but also from the flange 100. For this purpose, advantageously, aluminum oxide layers produced by anodic oxidation can be used.
In special cases it may be advantageous to use a more diffused gas stream at low gas velocity. For this purpose, the annular slot 7 and / or the annular ducts * are provided. 22 a ring of sintered porous material serving as a diffuser.
To make the annular conduits 22 gas-tight with respect to the outside, the rings 23 containing sealing members not shown in the drawing are used.
The electrodes 30 are automatically advanced, in a known manner, as they are consumed.
By special measures the quantity of waste heat is kept as small as possible and the portions as large as possible are returned to the process.
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There is an advantage in imparting high reflectivity to the walls of the reaction chamber 4, using suitable material of suitable high quality surface condition. Such a suitable surface state also prevents the deposition of reaction products such as carbon black. Inside the body 2 is arranged an annular duct 3 through which a suitable refrigerant can be passed. Under suitable conditions, for example if the gas velocity is high enough and / or if the thermal conductivity of the gas in question is high enough, one of the gaseous reactants to be introduced into the reaction chamber 4 can be used as refrigerant.
In this case, the reagent in question circulates, before being introduced into the reaction chamber, in the annular duct 3 and thus cools the body 2 and is itself simultaneously preheated.
Especially for the transformation of relatively small powers, the cover 40 which surrounds the device which is the subject of the invention at a certain distance and whose interior side reflects the radiation makes it possible to obtain, according to the known principle of the multiple reflection of a radiation, additional heat insulation and, consequently, a reduction in the heating power to be produced.
In special cases it may be advantageous that the component gas streams arriving at the reaction chamber 4 through the annular conduits 22 passing along the electrodes are not introduced continuously, but are interrupted. alternately and periodically in cyclic exchange, so that each component gas current is interrupted as soon as the corresponding electrode is without current. This can be done by means of a closing device operated simultaneously by the operating frequency.
The gas streams thus heated to elevated temperatures can be used for various applications, optionally by applying an expansion nozzle of appropriate profile. Thus, the thermal energy of the gas stream can be used directly for cutting, welding or melting substances or for the thermal resolution of compounds introduced in the gaseous state.
In other cases, thermal energy can be transformed into kinetic energy which lends itself, for example, to the control of jet engines. In addition, the latent energy present in the thermal splitting of gas molecules into atoms can be used as heat of recombination for endothermic chemical reactions.
It goes without saying that the device shown in the accompanying drawing can be used in any desired position in space. It can be used, for example, in an inverted position with respect to the position shown in the accompanying drawing; in this case the electrodes and the gas emission orifices face downwards.