CH431425A - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahles hoher Temperatur - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahles hoher Temperatur

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CH431425A
CH431425A CH701461A CH701461A CH431425A CH 431425 A CH431425 A CH 431425A CH 701461 A CH701461 A CH 701461A CH 701461 A CH701461 A CH 701461A CH 431425 A CH431425 A CH 431425A
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CH701461A
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Karlovitz Bela
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Northern Natural Gas Co
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/001Applying electric means or magnetism to combustion

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Description


  Verfahren und     Vorrichtung    zur Erzeugung eines     Gasstrahles    hoher     Temperatur       Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor  richtung zur     Erzeugung    eines Gasstrahles hoher Tem  peratur.  



  Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge  kennzeichnet, dass ein turbulenter Strom eines Verbren  nungsgasgemisches erzeugt wird, dass durch chemische  Verbrennung im Strom eine Flamme gebildet und eine  elektrische     Entladung    durch die Flamme erzeugt wird,  derart, dass praktisch der gesamte Verbrennungsgas  strom durch die Entladungszone hindurchströmt und  dessen Temperatur erhöht wird.  



  Als Brennstoff wird beispielsweise ein     Luftbrenn-          stoffgemisch    verwendet.  



  Bekanntlich wird durch die     Hinzufügung    von elek  trischer Wärmeenergie zu einer heissen Flamme der  Bereich der Arbeitstemperatur einer gewöhnlichen Luft  brennstoff-Flamme bis zu den hohen Arbeitstemperatu  ren eines Lichtbogens ausgedehnt. Mit den bekannten  Methoden ist ein solcher Temperaturbereich nur in sehr  aufwendiger Weise zu erreichen, indem     beispielsweise     teure Brennstoffe wie Wasserstoff oder Acetylen oder  mit Sauerstoff     angereicherte    Verbrennungsluft Anwen  dung finden, wenn es nicht überhaupt     unmöglich    ist,  ohne einen elektrischen Lichtbogen einen solchen Tem  peraturbereich zu erreichen.  



  Bei der Erfindung können im allgemeinen billige  Brennstoffe verwendet werden, die beispielsweise bei  ihrer Verbrennung Temperaturen von 2000 K oder  darüber erreichen. Um die erforderliche hohe Tempera  tur zu erreichen, kann die elektrische Entladung mit  relativ hoher     Spannung    und niedriger Stromstärke be  trieben werden. Viele     wichtige    Anwendungen von heissen  Gasstrahlen können nicht     ausgeführt    werden, weil die  Verbrennungstemperaturen von     gewöhnlichen    Brenn  stoffen zu niedrig sind. Bestimmte metallurgische Pro  zesse können, wie dies beispielsweise bei Aluminium we  gen des Wärmeabflusses der Fall ist, bei dieser niedri  gen Temperatur nicht durchgeführt werden.

   Schweissen  und     Schneidbrennen    sowie     Schmelzen    von Metallen und    hitzebeständiger, unter der Erdkruste vorkommender  Materialien bei hohen Temperaturen werden durch das  Verfahren und die Vorrichtung wesentlich verbessert.  Die vorliegende Erfindung eignet sich auch für chemi  sche Prozesse, die hohe Temperaturen erfordern, wie es  beispielsweise bei der Herstellung von Acetylen der Fall  ist.  



  Mit dem Ausdruck  verteilte Entladung  wird nach  folgend eine elektrische Entladung bezeichnet, die räum  lich derart ausgedehnt ist, dass praktisch der ganze       Verbrennungsgasstrom    durch die Entladungszone hin  durchgeht.     Eine    solche verteilte     Entladung    weist eine re  lativ hohe Spannung und einen niedrigen     Stromfluss    auf.

    Die     Vorteile    einer solchen Entladung liegen zunächst     da-          rin,    dass sich     das        Elektrodenproblem    wegen des     in    Be  zug auf eine Entladung vom     Lichtbogencharakter    mit  niedriger Spannung und hohem     Stromfluss    geringeren  Stromflusses bei vorzugsweise gleichem Leistungsdurch  gang einfacher gestaltet.  



  In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Er  findung beispielsweise dargestellt.  



       Fig.    1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausfüh  rungsform nach der Erfindung;       Fig.    2 zeigt die Schnittlinie 1I-11 der     Fig.    1;       Fig.    2A zeigt die Ansicht einer Abwandlung der  Vorrichtung gemäss     Fig.    1;       Fig.    3 zeigt die     Betriebskennlinie    des Brenners;       Fig.    4 zeigt die Verwendung der Vorrichtung zum  Bohren von Löchern in die Erdkruste;       Fig.    5 entspricht der     Fig.    1, jedoch ist hier eine  Abwandlung der Vorrichtung wiedergegeben;

         Fig.    6 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere  Abwandlung der     Vorrichtung;          Fig.    7 zeigt den Längsschnitt durch einen Ofen, in  dem Metalloxyde geschmolzen werden;       Fig.    8 entspricht den Figuren 1 und 5 und stellt eine  weitere Ausbildungsform der Vorrichtung dar.      Nach den Figuren 1 und 2 besteht der Brenner aus  einem Gehäuse oder einem     Brennrohr    10, durch das die  äussere Elektrode gebildet wird, innerhalb der sich eine  konzentrische     Mittelelektrode    12 befindet.

   Zwischen den  Elektroden 10 und 12 verbleibt zwecks Formung eines       ringförmigen    Gaskanals 14 ein Zwischenraum, durch  den ein     beispielsweise    aus Luft und gewöhnlichem     Koh-          lenwasserstoff-Brennstoff    gebildetes Explosionsgemisch  hindurchgeleitet wird.  



  Eine     Aussenhülse    16 und eine     Innenhülse    18 um  geben die entsprechende Elektrode und bilden einen       ringförmigen    Gaskanal 20, der den Hauptkanal 14     und     einen anderen ringförmigen     Gaskanal    22 umgibt. Die  Gaskanäle 20     und    22 enden am Rande des Brenners  und lassen     ringförmige        Leitflammen    20a und 22a aus  treten, durch die eine Beruhigung des ringförmigen       Flammenkegels    24 erfolgt, wenn die     Ausströmgeschwin-          digkeit    der Gase dies     erfordert.     



  Ein     elektrischer    Stromkreis wird durch eine geerdete  und mit der     Brennrohrelektrode    10 verbundene     Leitung     26 und eine an die     Mittelelektrode    12 angeschlossene  Leitung 28     gebildet.     



       Während    des Betriebes brennt die Mischung im       Flammenkegel    24 ab.     Innerhalb    des sichtbaren turbu  lenten Flammenkegels trennt eine durch die     wellenför-          migen        Linier!    36 angedeutete Brennwelle die kalten     un-          verbrannten        Gemische    von dem heissen Brenngas.

   In  nerhalb der dünnen     Brennwelle    steigt die Gastemperatur  an, so dass die Gasdichte entsprechend     abfällt.    Solange  kein     elektrisches    Feld von aussen aufgegeben     wirrt,    ent  steht innerhalb der Brennwelle 36 eine     Ionisierung    von  beträchtlicher Konzentration, während hinter dem Flam  menkegel eine niedrigere     lonisationsstärke    in dem     heis-          sen    Gasstrom vorhanden ist.  



  Zwischen den     Elektroden    10 und 12 befindet sich  ein kaltes, relativ dichtes, elektrisch     nichtleitendes        Gas-          gemisch    innerhalb des     Brennrohres    und eine im allgemei  nen     kegelförmige    kalte Gasmasse, die sich     zwischen     der Rinne des Brennrohres und dem     Flammenkegel    er  streckt. Die Elektroden 10 und 12 sind durch die ioni  sierten Bereiche der Brennwelle und durch den ionisier  ten Bereich des heiss brennenden Gases elektrisch mit  einander     verbunden.     



  Um einen elektrischen     Wärmefluss    an die Flamme  abzugeben, wird entweder eine Wechsel- oder Gleich  spannung     an    die Elektroden 10 und 12 gelegt. Wie in       Fig.    1 dargestellt, wird die     Massnahme    der Verwendung  eines Wechselstroms aufgezeigt. Ein die     Sekundärwick-          lung    eines     Aufwärtstransformators    32 enthaltender Ein  gangskreis 30 ist zwecks Übertragung des Wechselstro  mes mit den     Elektrodenleitungen    26 und 28 verbunden.  



  Durch die angelegte     Spannung    werden die Ionen und  die in der     Flamme    anwesenden Elektronen bewegt und  ein vergleichsweise schwacher     Stromfluss    zwischen den  Elektroden erzeugt, der     durch    das Flammenvolumen       hindurchtritt.    Zunächst ist die Stromdichte in     unmittel-          barer    Nähe der Brennwelle am höchsten, da     dort    die       Ionendichte    am stärksten     und    die Weglänge der Entla  dung am kürzesten ist. Sobald die an die Elektroden ge  legte Spannung ansteigt, setzt die     Stoss-Ionisation    ein.

    Der Strom und damit der Leistungseingang in die Flam  me wachsen an. Bei ansteigender Eingangsleistung stei  gen auch die Gastemperaturen an. Bei hohen Gastem  peraturen erscheinen ausgeprägte Anstiege von Tempe  raturionisationen, die von dem     Ionisationspotential    der       Brenngasmischung    abhängig sind.

   Diese von der hohen       Gastemperatur        herrührende    Ionisation steigert die Strom-    dichte und verringert die Spannung, bei der die erfor  derliche     Leistung    an die Flamme abgegeben werden       kann.    Infolgedessen wird durch die Temperaturionisa  tion des Gasstromes eine obere Grenze für die Tempe  ratur festgelegt, auf die der Gasstrom bei     einer    verteilten  hohen     Spannungsentladung        erwärmt    werden kann.

   Je  doch kann die Gastemperatur bis unterhalb dieser Gren  ze durch niedrigere     Spannung        und    stärkere Stroment  ladung ansteigen, wie nachstehend     ausgeführt    wird.  



  Die den Bereich hoher Entladungsspannung begren  zende     Maximalgastemperatur    wird durch das     lonisa-          tionspotential    der     Brenngasmischung    bestimmt. Bei einer       Gasmischung        mit        ungefähr    1     %        NO-Gehalt        liegt        die     Temperaturgrenze bei ungefähr 4000 K. Bei Gasmi  schungen     mit    CO, C02,     N2    und     H20-Gehalt        liegt    die  Temperaturgrenze bei ungefähr 6000 K.  



       Bekanntlich    kann bei einer ruhenden Gasatmosphäre  eine verteilte     Glimm-Entladung    nur bei     geringen    Gas  drücken erreicht werden. Bei ansteigenden Drücken wird  die verteilte Entladung unstabil, bis sich endlich die  Entladungsbahn zu einem engen     Verlauf    konzentriert  und die     Entladung        in    einen Lichtbogen     mit    niedriger  Bogenspannung übergeht.

   Der Grund für diese Instabi  lität und den nachfolgenden Übergang ist darin zu er  blicken, dass durch     zufällige    Anstiege in der Strom  dichte in einigen Bereichen der Entladung die Gastem  peratur und damit die     lonisationsdichte    in diesen Be  reichen der Entladung ansteigt und die     Gasdichte    hier  durch verringert wird. Die     Leitfähigkeit    in diesen Re  gionen steigt gegenüber den     umliegenden    Regionen an,  wodurch eine weitere Stromkonzentration hervorgerufen  wird. Bei niedrigen Gasdrücken werden Temperatur  schwankungen und     Ionisationsdichte    schnell ausgegli  chen, so dass eine verteilte Entladung möglich ist.

   Bei  höheren Gasdrücken ist jedoch die     Molekulardiffusion     nicht     stark    genug, um     Ungleichförmigkeiten    zu verhin  dern, so dass die     Entladung    in eine konzentrierte Bo  genentladung niedriger Spannung übergeht.  



  Wie oben schon ausgeführt, besteht die Forderung,  eine verteilte Entladung bei hoher Spannung in der       Flamme    zu erreichen. Da in der     Flamme    verschiedene  Faktoren zur     Gewährleistung    einer verteilten Entladung       mitwirken,    ist dies     möglich,    so dass der Übergang zu  einem     konzentrierten    Entladungsbogen ausgeschaltet  wird. Zunächst ist die     Flammentemperatur    wegen der  Verbrennung hoch und darum die Gasdichte     verhältnis-          mässig    gering.

   So entspricht beispielsweise die Gasdich  te bei einer Atmosphäre und bei 2000 K einer Gas  dichte von 0,14     At.    bei     Raumtemperatur.    Durch ge  ringe     Schwankungen    der bereits sehr hohen Gastempe  ratur werden nur geringe Schwankungen in der Gas  dichte hervorgerufen. Darüber hinaus sind infolge des  Verbrennungsprozesses die brennenden Gase bereits in  geringem Umfang ionisiert. Infolgedessen haben geringe  Abweichungen in der Stromdichte eine weit     geringere     Konzentrationswirkung auf die Entladung in der Flam  me als auf eine Entladung in     einer    in der atmosphä  rischen     i,uft    stattfindenden Verbrennung.  



  Auch hat die turbulente     Flamme    eine durch niedri  ge Dichte und hohe Temperatur begünstigte starke Tur  bulenz, wodurch eine sehr starke     Dispersionswirkung          verglichen    mit einer     Molekulardiffusion    erzielt wird. We  gen dieser     Turbulenz    werden     zufällige        Temperaturän-          derungen    und     Änderungen    in der     Ionisationsdichte    aus  geglichen, bevor sie eine     konzentrierte    Entladung her  beiführen können.

        Als dritter     Fakor    erscheint die konstante Erneuerung  der Gasmasse, die die elektrische Entladung trägt. Da  durch, dass jede Gasmasse über eine kurze Zeitspanne  der Entladung ausgesetzt wird, können sich keine gros  sen Temperaturdifferenzen und     Dichtigkeitsunterschiede     ausbilden.  



  Durch die in Figur 3 dargestellte Betriebskurve 38  wird die Stabilisierung veranschaulicht, durch die die  Entstehung eines elektrischen Bogens verhindert wird.  Die Kurve 38 stellt den Stromverlauf über die Gleich  spannung E dar. Zunächst     steigt    der Strom bei steigen  der Spannung an. In diesem Bereich wird der Strom  durch die in der Flamme anwesende Ionisation getragen.  Bei weiterer Erhöhung der Spannung steigt der Strom  wegen der durch die     Kollisierung    erzeugte zusätzliche  Ionisation     sprunghaft    an. Bei noch höherer     Spannung     wächst der Strom wegen der Thermalionisation des Ga  ses noch weiter an. Bei einem Punkt 40 hat die Span  nung ihr Maximum erreicht und fällt bei ansteigendem  Strom ab.

   In diesem Bereich der negativen Charakteri  stik steigt die Dichte der Thermalionisation sprunghaft  an, so dass sich die Entladung in einem Spannungsbo  jen äussern kann.  



  Als     Sicherheitsmassnahme    zur Verhinderung einer  Bogenbildung für den Fall, dass die Spannung zu hoch  ansteigt und die Stromstärke abfällt, können zwei in  Reihe geschaltete Widerstände, bestehend aus einem Wi  derstand R und einem Induktionswiderstand L in den  Eingangskreis 30 nach Figur 1 eingeschaltet werden.  Während die Spannung über R und L abfällt, steigt die  Stromstärke und ihr     Anderungsbetrag    an. Durch die  hierbei entstehende Spannungsabsorption wird das vor  handene Potentialgefälle zwischen den Elektroden 10  und 12     verringert.    Durch die Widerstände wird die not  wendige Stabilisierung der Stromkurve in dem unterhalb  des Punktes 40 liegenden Bereich erzielt, wo sie beginnt,  einen fallenden Verlauf einzunehmen.  



  In den Figuren 1 und 2 ist ein Brenner dargestellt,  bei dem die Flamme an ihrer Basis durch die Elektro  den völlig begrenzt ist. Jedoch braucht die Flamme nicht  in dieser Weise begrenzt zu sein. Die elektrische Ent  ladung kann durch zwei von dem Brenner getrennte und  von     entgegengesetzten    Seiten in die Flammen hereinra  genden Elektroden verteilt werden. Eine solche Anord  nung     zeigt        Fig.    2A. Hierin ist das Brennrohr mit 11 be  zeichnet, durch das das     Brennstoffluftgemisch    strömt  und an der Rohrmündung gezündet wird, wobei eine  Flamme 13 mit einem Flammenkegel 13a entsteht. Von  beiden Seiten erstrecken sich zwei an die Leitungen 26  und 28 angeschlossene Elektroden 15 und 17 in die  Flamme hinein.

   Eine verteilte     elektrische    Entladung  wird durch die Flamme hindurch erzeugt, so dass im  wesentlichen der ganze Strom der Brenngase durch die  Entladung hindurchgeht.  



  In Verbindung mit den     Fig.    1, 2 und 2A sind Flam  men beschrieben, die durch     vorgemischte    Explosivmi  schungen erzeugt werden. Die     Erfindung    kann auch mit  sogenannten Diffusionsflammen verwirklicht werden.     In     diesem Fall wird das Brenngas nur durch die Rohre 10  und 11 geleitet, während die für die Verbrennung not  wendige Luft der Flammenbasis durch Konvektion aus  der die Flamme umgebenden Atmosphäre zugeführt  wird.  



  Im folgenden sei zuerst die Spannungsentladung bei  vernachlässigter Temperaturionisation und zweitens für  den Fall merklicher Temperaturionisation des Gases be  rechnet. Zunächst ergibt sich die     Feldstärk    einer Glimm-         entladung    in einer Luftsäule aus  
EMI0003.0021     
    Hierbei ist E die elektrische     Feldstärke    in Volt/cm und  p der Gasdruck bei 0 C. Während des Betriebes ergibt  sich bei einer Flammentemperatur von 2.730 K und  atmosphärischem Druck ein Gasdruck von p = 76 mm.  



  Bei diesem     Druck    entsteht eine elektrische Feldstär  ke von:  E = p = 76 X 20 = 1.520 Volt/cm.  Natürlich beträgt bei den Betriebsbedingungen die  Weglänge der Entladung zwischen den Elektroden ent  lang der Flamme 10 cm. Die Spannung dieser Entla  dung bei diesen Bedingungen beträgt:  E = 10     >:    1.520 = 15,200 Volt,  auf die die Spannung an den Elektroden abfällt. Um die  gewünschte Spannung zu erreichen, muss die Spannung  um einige 100 Volt erhöht werden.  



  Bei diesen hohen Spannungen genügen mässige       Glimmentladungsströme,    um hohe Leistungsbeträge an  die Flamme abzugeben. So ergibt beispielsweise eine  Entladungsspannung von 16,000 Volt und ein Strom von  2 Ampere -
EMI0003.0026  
   = 32     kW    in der Flamme, wo  durch sich eine stetige Wärmeerzeugung von 27 720       kcal/h    ergibt.  



  Im Zustand merklicher Temperaturionisation des  Gases ergeben sich folgende     Werte.    Ein Brenngas bei  atmosphärischem Druck bestehend aus     N2,        C02    CO  und Wasserdampf und bei einem     Partialdruck    von 140  mm     Hg,    jedoch ohne NO oder Metalldämpfe, enthält bei  4000  K angenähert 2     >;        1011    Ionen und Elektronen  pro Kubikzentimeter.

   Bei einem Spannungsgefälle von  500 Volt/cm beträgt die Stromdichte 0,137 Ampere/       cm2,    die Wärmeerzeugung beträgt 68,5     Watt/cm3.    Der  Temperaturanstieg der Gasströmung beträgt     685 C/em     in Stromrichtung, gemessen bei einer Strömungsge  schwindigkeit vor. 100 cm/sek.  



  Im Gegensatz zu dem obigen Beispiel wird die Ionen  Elektronen-Konzentration und damit die Stromdichte  viel dichter, wenn etwas NO oder Metalldampf im Ver  brennungsprodukt zugegen sind. So liefert beispiels  weise bei 4000 K Natrium bei einem     Partialdruck    von  0,1 mm     Hg    eine     Ionen-Elektronen-Konzentration    von  2,28 X<B>1013</B> Ionen und Elektronen pro Kubikzentimeter.

    Bei einem     Spannungsgefälle    von 100 Volt/cm ergib sich  eine Stromdichte von 5,1     Ampere/cm2,    die Wärmeer  zeugung liegt bei 510     Watt/cm3    und der Temperatur  anstieg der Gasströmung beträgt     5100 C/cm    unter der  Annahme einer     Gasströmungsgeschwindigkeit    von 1000  cm/sek.  



  Die     Ionen-Elektronen-Konzentration    steigt sprung  haft mit ansteigender Gastemperatur an. Infolgedessen  kann die     Strom-Spannungs-Charakteristik    der Entladung  sehr     empfindlich    auf die Temperaturschwankungen des  Gases reagieren. Diese Empfindlichkeit kann durch Bei  gabe geringer Mengen von Metallatomen mit niedrigem       Ionisationspotential    an das Gasgemisch gemildert wer  den.

   Diese Zusätze ergeben eine     vollständige    Ionisation  bei vergleichsweise niedrigen Gastemperaturen und er  zeugen bei dem hier interessierenden Temperaturbereich           eine    nahezu konstante     Grundionisation.    Bei einer Tem  peratur von beispielsweise 3000 K erreicht Na bei  einem     Partialdruck    von 0,001 einen     Ionisationsgrad    von  0,48 und erzeugt     eine        Ionen-Elektronen-Konzentration     von 1,5 X     1012/cm3.    Bei 4000 K     beträgt    der     Ionisa-          tionsgrad    0,

  995 und eine     Ionen-Elektronen-Konzentra-          tion    von 2,4 X     1012/cm3-          Beim        Gegenstand    der Erfindung steht als wichtig  ste Voraussetzung im     Vordergrund,    in einer     Flamme    eine       verteilte    elektrische Entladung zu erzeugen. Das bedeu  tet, dass sich die Entladung mehr oder weniger gleich  förmig durch das     ganze        Flammenvolumen    ausdehnen  soll.

   Es     kann    so viel elektrische Leistung in die Flamme  eingeführt werden, wie es die Erzielung der gewünsch  ten Temperatur     erfordert.    So ergeben sich bei hohen  Temperaturen und bei     Gasanteilen    niedrigen     Ionisa-          tionspotentials    hohe Ströme. Die     Stromstärken    werden       wiederum    durch die Verfügbarkeit geeigneter Elektro  den begrenzt.  



  Wegen der hohen Temperaturen, die sich in der       Flamme        entwickeln,    und wegen der ausgezeichneten       Wärmeleiteigenschaft    der     Verbrennungsprodukte    der       Flamme,    die durch die     Wiedervereinigung    der verteilten  Moleküle bei niedrigen Temperaturen erzeugt wird,     kann     die     Flamme    sehr schnell jedes unter der Erdkruste vor  kommende Material     schmelzen.    Infolgedessen sind diese       Flammen    geeignet, tiefe Löcher zu bohren.

       In        Fig.    4 ist  eine     Vorrichtung    dargestellt, die für diesen Zweck ver  wendet werden kann. Ein oder mehrere Brenner, wie  sie beispielsweise in der     Fig.    1 dargestellt     sind,    können  in einem Bohrrohr 44 untergebracht sein. Zwecks Ver  einfachung der Darstellung ist in der     Fig.    4 nur ein Bren  ner dargestellt.     In    den Brenner wird durch das die Elek  trode 12 umgebende Rohr ein     Verbrennungsgemisch    ge  leitet, wie dies in Verbindung der Beschreibung der Aus  führungsform nach     Fig.    1 bereits ausgeführt wurde.

    Durch die     Leitungen    26 und 28     wird    eine hohe     Span-          nung    an die Elektrode 12 und das Rohr 10 gelegt. Die       Flamme    wird durch eine     ringförmige,    in der     Fig.    4 nicht  dargestellte     Leitflamme        stabilisiert,    die genauso beschaf  fen ist wie die Leitflammen 20a und 22a nach     Fig.    1.

   Da  die Flamme durch die ringförmigen     Leitflammen    sta  bilisiert ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Ga  ses sehr hoch und bewegt sich in einer Grössenordnung  von über 30     m/sek.     



  Die     mit    hoher Geschwindigkeit und hoher Tempera  tur auf den Bohrungsboden auftreffende Flamme wird  abgelenkt und bildet eine heisse, dünne     Blasschicht,        die     über die     abzuschmelzende        Felsenoberfläche    streicht. We  gen der hohen Strömungsgeschwindigkeit und der sich  daraus ergebenden hohen Turbulenz, des relativ kurzen       Abstandes    zwischen dem heissen Gasstrom und dem       Felsen    und dem hohen     Disassoziaiionsgrad    der Verbren  nungsprodukte ergibt sich ein sehr hoher Wärmeüber  gang auf den Felsen.

   Der Wärmeverlust durch die Lei  tung des Felsens stellt lediglich einen Bruchteil der ab  gegebenen Hitze dar. Das geschmolzene Material wird  vom Boden der Höhlung durch die hohe     Blasgeschwin-          digkeit    aufgehoben und     in    kleine     Bruchteile    zerlegt. Die  se Teile werden durch einen     Hilfsluftstrom    an die Ober  fläche befördert, der durch nach oben hin offene Öffnun  gen 46 in Nähe des Bodens des Bohrrohres gelangt.  



  Da jedoch zum Bohren von Felsen ein grosser Gas  bedarf     erforderlich    ist, ist ein in     Fig.    5 dargestellter ab  gewandelter Brenner vorzuziehen, in dem eine besonders  hohe     Brenngasgeschwindigkeit    erzeugt wird. Bei diesem  schnellströmenden Brenner sind zwei Kreisleitungen 28    und 26 an eine elektrische Stromquelle, wie vorstehend  schon beschrieben, angeschlossen und sind an die Mittel  elektrode 12'     innerhalb    des Brenners und an die     ein          Brennrohr        bildende    Aussenelektrode 10' angeschlossen.

    Bei der besonderen     Ausführungsform,    die besonders zum  Bohren vorgesehen ist, ist die Leitung 12'     zu    der Mittel  elektrode     mit    Vorteil     als        isolierter,    durch die gestrichel  ten Linien 28b angedeuteter     koaxialer    Leiter ausgebildet.  Die Aussenelektrode 10' bildet die Grundelektrode.

   Der  Leiter 28b ist an dem     inneren    Ende der Mittelelektrode  12' angeschlossen, die an ihrem entgegengesetzten En  de eine     Vergrösserung    aufweist, die als     scheibenförmig     ausgebildeter Flammenhalter 48 ausgebildet ist, der zu  gleich einen radialen Absatz     innerhalb    der Aussenelek  trode 10' und einen     axialen    Innenabsatz von dem     Rand     50 bildet.

   Ein     mit    Flüssigkeit gefüllter     Kühlmantel    52       umgibt    das Brennrohr in Nähe der     Brennermündung    50,  wobei geeignete Mittel vorgesehen sind, um die Kühl  flüssigkeit durch den Kühlmantel während des Brenner  betriebes zu leiten. Durch den     Flammenhalter    48 wird  der     mit    54 bezeichnete Flammenkegel     stabilisiert,    der  durch in     Pfeilrichtung    in     Fig.    5 strömende Explosivluft  brennstoffgemische gespeist wird.

   Der Potentialunter  schied zwischen den Elektroden 10' und 12' bewirkt  eine verteilte Entladung in Form eines durch die Ver  brennungswelle abgegrenzten und durch die     Wellenlinie     56 angegebenen Kegels.  



  Da das Rohr 10' einen gleichmässigen Innendurch  messer hat, werden die heissen Verbrennungsprodukte  durch dieselben     Querschnittsbereiche    begrenzt wie die       unverbrannten    Gase. Das Gasvolumen wird, indem es  abbrennt, vergrössert, so dass durch den     Expansions-          anstieg    eine     Beschleunigung    und     damit    eine sehr hohe  Strömungsgeschwindigkeit eintritt.

   Da die     unverbrannten     Gase     mit    hoher     Anfangsgeschwindigkeit    in den Brenner  eingeleitet werden, entstehen sehr hohe     Brenngasge-          schwindigkeiten,    die sich endlich der     Schallgeschwindig-          keit        annähern.     



  Wenn     eine    hohe     Geschwindigkeit    und hohe Tem  peratur der ausgestossenen Gase in dieser Weise gebil  det werden, wird     ein    schnellerer Arbeitsverlauf erzielt  als bei einer     Ausführungsform    gemäss der     Fig.    4.  



  Wie schon     erwähnt,    können starke Ströme erforder  lich sein, um die Flammentemperatur auf einen bestimm  ten Wert zu bringen. Dies trifft teilweise zu, wenn die  die Flamme bildende Gaskonsistenz Metallatome ent  hält, da das     Ionisationspotential    des Metallatoms niedrig  ist. So ist z. B. das     Ionisationspotential    von     Aluminium     5,90 Volt und das von Titan 6,83 Volt. Bei Tempera  turen, die über 3000 K hinausgehen,     wird    die Leit  fähigkeit des Gases, das Metalldämpfe     enthält,    sehr hoch.

    Ein Gas beispielsweise, das     Titandämpfe    bei einem       Druck    von 1 mm     Hg    bei 3000 K enthält, erzeugt eine       Ionen-Elektronen-Konzentration    von 2,56 X     1012    pro  Kubikzentimeter. Bei einem Spannungsgefälle von 1  Volt/cm beträgt die Stromdichte 12     Ampere/cm2.    Bei  3500 K beträgt die     Ionen-Elektronen-Konzentration     1,4 X     1013/cm3,    wobei die Stromdichte 38     Ampere/cm2     beträgt.

   Bei 4000 K erreicht die     Ionen-Elektronen-Kon-          zentration    1 X     1015/cm3    und die Stromdichte 30 Am  perecm3.  



  Solche hohen     Ionisationsdichten    erfordern hohe Strö  me, um auf     ein    vorgegebenes Gasvolumen einen starken  elektrischen Leistungsanstieg abzugeben. Es kann sehr  schwierig oder     aufwendig    sein, Elektroden zu verwen  den, die derart hohe Ströme ertragen. In diesem Fall  kann es     vorteilhaft    sein, die elektrische Leistung durch      elektromagnetische Induktion auf das hocherhitzte Gas  zu übertragen. Eine solche Massnahme ist in     Fig.    6  dargestellt.

   Wie in dieser Figur dargestellt,     findet    ein  Brenner,     ähnlich    wie     in        Fig    1 Verwendung, in dem eine       Flamme        erzeugt    wird und eine verteilte Entladung  durch die Flamme stattfindet. In     axialem    Abstand vor  der     Brennermündung    liegt eine elektrische Induktions  spule 58, die durch eine Quelle mit elektrischem Hoch  frequenz-Strom versorgt wird.

   Die Frequenz hat     bei-          pielsweise    eine Grösse von 10 000     Hz.    Wie in     Fig.    6  dargestellt, bewegen sich die Verbrennungsprodukte  durch die Spule 58. Durch die Spule wird ein hoher  Strom in dem hoch     leitfähigen    Gasstrom erzeugt, wie es  von der Induktionserwärmung her bekannt ist.  



  Diese     elektromagnetische    Induktionserwärmung zur  Steigerung der     Flammentemperatur    kann direkt an die  Flamme übertragen werden, ohne eine verteilte elektri  sche Entladung durch die Flamme vorzunehmen, wie es  eingangs beschrieben wurde. Dies trifft insbesondere  dann zu, wenn die     Ionisationsdichte    des Gases durch  Hinzufügung von Stoffen mit einem geringeren     Ionisa-          tionspotential    gesteigert wurde. Jedoch ist dies in einzel  nen Fällen zur Steigerung der Flammentemperaturen     zu     empfehlen, die bei Verwendung der verteilten elektri  schen Entladung bereits hoch sind, bei Temperaturen  also, die eine Auswahl und Konstruktion geeigneter  Elektroden erschweren.  



  Die     Erfindung    eignet sich besonders für verschiede  ne metallurgische Prozesse, bei denen Hochtemperatur  Flammen erforderlich sind, beispielsweise zur Reduktion  von Aluminium oder     Titanoxyd    vom reinen Metall. Eine  solche Reduktion kann direkt durch die Flamme ver  wirklicht werden, da diese bis auf die erforderliche  Temperatur gebracht werden kann.  



  Der Reduktionsprozess wird durch die Flamme aus  geführt, indem durch Einführung eines     Metalloxydstau-          bes    in die heisse Flamme eine Reduktionsatmosphäre  erzeugt wird. Die Metallpartikel schmelzen und ver  dampfen in der hohen Flammentemperatur. Die Reduk  tion geschieht an der Oberfläche der Partikel oder in der  gasförmigen Phase nach der Verdampfung. Das redu  zierte Metall wird     dampfförmig    und schlägt sich wie  eine Flüssigkeit aus dem Gasstrom nieder.  



  In     Fig.    7 ist ein Ofen dargestellt, durch den ein sol  cher Reduktionsprozess     durchgeführt    wird. Der Ofen  besteht aus einem metallischen Aussenmantel 60, der  überall mit hitzebeständigem Material 62 ausgekleidet  und durch Kühlschlangen 64 umgeben ist. Der Ofen  ist in eine     Reduktionskammer    66, einen     Kondensraum     68 und einen Gasauslass 70 aufgeteilt. Die Reduktions  kammer und der Auslass 70 sind aus der Kondensations  kammer 68 ausgebuchtet und befinden sich im Oberteil  der Kammer, so dass das Gas aus der Reduktionskam  mer in den Kondensationsraum gelangt, dort zirkuliert,  bis es durch den     Auslass    70 nach aussen gelangt.

   An  dem vom Kondensationsraum abgewandten Ende der  Reduktionskammer ist ein Brenner ähnlich wie der nach       Fig.    1 vorgesehen. Die in den Brenner eingespeiste Ver  brennungsmischung ist so     gewählt,    dass die Verbren  nungsprodukte der Reduktionsflamme einen hohen  Kohlenoxyd- oder Wasserstoffgehalt enthalten. Eine ver  teilte elektrische Entladung wird durch die Flamme in  gleicher Weise geführt wie oben beschrieben, so das die  Gastemperatur auf die gewünschte Höhe ansteigt. Das  in der Flamme zu reduzierende Metalloxyd wird der       Famme    durch einen Gasstrom in Form feinen Puders  zugeführt.

   Wenn zu diesem Zweck Kohlenstoff erforder-         lich    ist, kann dieser auch durch den Gasstrom getragen  werden, oder er kann durch einen getrennten, die Flam  men     einhüllenden    Gasstrom getragen werden.  



  Die heisse     Flamme    schmilzt und verdampft das     pulve-          risierte    Metalloxyd und dieses Oxyd     wird    zu Metall re  duziert, wenn es sich in der Gasphase befindet. Die Me  talldämpfe zusammen mit anderen Verbrennungsproduk  ten treten dann in die     Kondensationskammer    ein, in der  die Gastemperatur so weit verringert wird, dass die Me  talldämpfe kondensieren.

   Die     Kondensationskammer     wird zur Erzeugung der Kondensation des Metalls durch  Kühlung des Mantels 60 durch die     Kühlschlangen    64  und durch Wahl geeigneter hitzebeständiger Auskleidung  geeigneter Dicke auf geeigneter Temperatur gehalten, so  dass die Wirkung der Kühlschlangen zur Geltung kom  men kann. Das kondensierte Metall wird     tropfenförmig     und setzt sich aus dem Gasstrom ab und wird in einem  am Boden der Kondensationskammer befindlichen     Bek-          ken    aufgefangen. Das     geschmolzene    Metall kann durch  einen Stichkanal 72 aus dem Kammerboden nach aussen  gelangen.  



  Das Abgas verlässt die Kondensationskammer durch  den Auslass 70, wobei seine Wärme mittels bekannter  Vorrichtungen und Techniken     zurückgewonnen    und     für     andere Zwecke verwendet werden     kann.    Feiner Metall  staub oder Staub kann aus dem Gasstrom     herausgeson-          dert    und einem wiederholten Prozess unterworfen wer  den.  



  Bei einer     bestimmten    Ausführungsform nach der Er  findung soll ein sehr heisser Gasstrom erzeugt werden,  der einen relativ schmalen Querschnitt hat und der eine  bis zur Schallgeschwindigkeit reichende Strömungsge  schwindigkeit erreicht. Ein solcher heisser Gasstrom fin  det beim Schneiden von Felsen Verwendung, wobei der  Einschnitt sehr schmal und viel tiefer als seine Breite  sein soll. Die Konzentrierung eines heissen Gasstromes  bewirkt einen engen Schnitt und die hohe Geschwindig  keit der heissen Gase schleudert die abgelösten Felspar  tikel beim     Schneidprozess    nach aussen.

   In     Fig.    8 ist     ein     Gerät zur Erzeugung eines konzentrierten Stromes     heis-          ser    Gase dargestellt, wobei die Strömungsgeschwindig  keit     überschallgeschwindigkeit    erreicht.  



  Bei dem Gerät nach     Fig.    8 ist ein Rohr 58 vorge  sehen, das als Aussenelektrode ausgebildet ist und durch  das entsprechend der eingezeichneten Pfeile ein explo  sives     Luftbrenngemisch    von der linken nach der rechten  Seite strömt. Das Gerät enthält ebenfalls einen Flam  menhalter 60, der auch als Elektrode wirkt. Die Elektro  de 60 liegt mit Abstand in der Mitte des Rohres 58 und  mit axialem Abstand hinter dem Ende des Rohres, aus  dem das heisse Gas austritt. Der Raum innerhalb des  Rohres 58 zwischen dem Ende des Flammenhalters 60  und der Düse 70 bildet die     Brennkammer,    in der im  wesentlichen das ganze     Explosivluftbrennstoffgemisch    ab  brennt.

   Die Kammerabmessungen variieren entsprechend  aller dem Fachmann bekannter Faktoren, wie beispiels  weise der Strömungsbetrag des Gases, der Strömungs  druck, die Beschaffenheit der Mischung und der Druck,  unter dem die Verbrennung stattfindet. Allgemein ent  spricht der Abstand zwischen     Flammenhalter    60 und  Düse 70 dem doppelten Durchmesser des Rohres 58.  



  Das Gerät nach     Fig.    8 enthält herkömmliche in der       Fig.    8 nicht dargestellte Vorrichtungen, durch die die  explosiven     Luftbrennstoffgemische    in das     Rahr    58 bei  hohem Druck eingebracht werden. Der wirksame Druck  innerhalb der     Kammer    ist durch die erforderliche     Aus-          strömgeschwindigkeit    aus dem Brenner festgelegt. Dabei      ist die Relation zwischen dem Druck in der Verbren  nungskammer und der     Austrittsgeschwindigkeit    bekannt.

    Die Leitungen 62 und 64, die an eine elektrische Quelle  angeschlossen sind in derselben Weise, wie oben schon  beschrieben,     schaffen    eine     Potentialdifferenz    zwischen  den Elektroden 58 und 60.  



  Am Ende des     Flammenhalters    60 wird eine     Flamme          mit    einer durch die Linie 66     in        Fig.    8 dargestellten  Flammenform gebildet. Die zwischen den Elektroden  58 und 60 bestehende     Potentialdifferenz    bewirkt eine  verteilte Entladung in Form einer durch die     Wellenlinie     68 angedeuteten konischen Form, die durch die Ver  brennungswelle eingefasst wird.

   Am Ende des Rohres 58  ist eine Düse 70 vorgesehen, durch die das heisse Gas       abströmt.    Die Düse 70 umgibt das Ende des Rohres 58,  so dass das gesamte brennende     Luftbrennstoffgemisch     durch den Kanal 72 in der Düse     mit    steigender Ge  schwindigkeit nach aussen tritt.  



       In    Nachbarschaft der Düse 70 ist das Rohr 58 von  einem mit Flüssigkeit     gefüllten        Kühlmantel    74 umgeben,  wobei geeignete     Mittel    vorgesehen sind, um eine     Kühl-          mittelzirkulation    durch den Mantel     während    des     Bren-          nerbetriebes    zu erzeugen.  



  Eine Detailbeschreibung des in     Fig.    8 dargestellten       Brennertypes,    in dem     eine    Explosivmischung von Kero  sin und<B>öl</B> verbrannt wird, sei nachfolgend gegeben. Das  Rohr und die Aussenelektrode haben einen Innendurch  messer von     2,54-1,27    cm. Die Innenelektrode hat einen  Durchmesser von 0,96 cm und das     Elektrodenende    be  findet sich     in    einem Abstand von 101,6 mm von dem  Eingang des Düsenkanals. Der     Düsenkanaldurchmesser     beträgt 0,89 cm     und    der Durchmesser des Düsenaus  gangs 0,96     cm.     



  Ein Explosionsgemisch aus Luft und Kerosin wird  dem Rohr mit einem Druck von     ungefähr    4     kg/cm2    zuge  führt. Die Mischung ist so eingestellt, dass die Luftzu  fuhr einen Betrag von 8,9     kg/h    und die     Kerosinzufuhr     einen Betrag von 4     kg/h    haben.  



  Die erforderliche     Spannung    zur Erzeugung der er  forderlichen elektrischen Leistung schwankt zwischen  1000 bis 2000 Volt, was von der     Vorionisation    der  Flamme abhängt. Eine     Vorionisation    der Flamme wird  durch     Hinzufügung    von Salz zu den     Explosivmischungen     erreicht, wie oben schon beschrieben. Je höher der Vor  ionisationsgrad ist, um so niedriger wird die erforderliche  Spannung. Der     Stromfluss    durch die Flamme wird dann  zwischen 50 und 25 Ampere schwanken.  



  Ein so betriebener Brenner erzeugt eine Verbren  nungswärme von 43 00     kcal/h.    Das Wärmeäquivalent  von 50     kW.    der     zugeführten    elektrischen Energie be  trägt 43 000     kcal/h.    Auf diese Weise erzeugt der Bren  ner eine     Gesamtwärme    von 86 688     kcal/h.    Die Flam  mengeschwindigkeit beträgt 120,6500 cm/sek. und die  Flammentemperatur entspricht ungefähr 3300 K.  



  Nach der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich,  dass der Brenner nach     Fig.    8 einen konzentrierten Gas  strom hoher Temperatur mit Schallgeschwindigkeit er  zeugt. Der Flammenausstoss     mit    einer solchen Tempera  tur eignet sich zum Schneiden oder Bohren extrem har  ter oder hitzebeständiger     Materialien    oder zum Schneid  brenner von Metall.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zum Erzeugen eines Gasstromes hoher Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass ein turbulen- ter Strom eines Verbrennungsgasgemisches erzeugt wird, dass durch chemische Verbrennung im Strom eine Flamme gebildet und eine elektrische Entladung durch die Flamme erzeugt wird, derart, dass praktisch der ge samte Verbrennungsstrom durch die Entladungszone hin durchströmt und dessen Temperatur erhöht wird.
    UNTERANSPRÜCHE 1) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ionisationsdichte des Verbren nungsgases durch Zusätze gesteigert und die elektrische Entladung durch hochfrequente elektromagnetische In duktion erzeugt wird. 2) Verfahren nach Patentanspruch I oder Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Gasgemisches vor der Erzeugung der Strömungsturbu lenz erfolgt.
    3) Verfahren nach Patentanspruch I und Unteran spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Flam me in der Strömung ausgebildet wird bei der die für die Verbrennung notwendige Luft der Flammenbasis durch Konvektion aus der die Flamme umgebenden Atmosphä re zugeführt wird. 4) Verfahren nach Patentanspruch I und Unteran spruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Metallverbin dungen mit niedrigem Ionisationspotential dem Gasstrom vor der Flamme zwecks Steigerung der Ionenkonzentra- tion innerhalb der Flamme zugeführt werden.
    5) Verfahren nach Patentanspruch I und Unteran spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch durch eine Ausströmdüse zur Erhöhung der Strömungs geschwindigkeit ausgestossen wird. PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein Brennrohr zur Erzeugung einer Flamme durch chemische Verbren nung in einem Gasstrom, und Mittel zur Erzeugung einer stabilen elektrischen Entladung in der Flamme, so dass praktisch das gesamte Verbrennungsgas durch die Ent ladungszone hindurchströmt und hierdurch erhitzt wird.
    UNTERANSPRÜCHE 6) Vorrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Mittelelektrode innerhalb des Rohres vorgesehen ist, deren eines Ende auf den Mittel punkt der Rohröffnung weist, und die Strömung des Gasgemisches über eine Vorrichtung in einen Ringkanal zwischen Rohr und Elektrode gelangt, und eine Vorrich tung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung zwi schen Rohr und Elektrode vorgesehen ist.
    7) Vorrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass durch ein zu der Elektrode und ein zu dem Brenner konzentrisch liegendes Rohr der Ring- kanal gebildet wird, durch den zur Bildung von Leit- flammen am offenen Ende des Brennrohres ein Gasge misch hindurchgeleitet werden kann. 8) Vorrichtung nach Unteranspruch 7, gekennzeich net durch dem Austrittsende des Rohres benachbarte Elektroden, deren Enden in die Flammen hineinragen, und Vorrichtungen zur Erzeugung einer sich durch den ionisierten Flammenbereich verteilende elektrische Ent ladung zwischen den Elektroden.
    9) Vorrichtung nach Patentanspruch II und einem der Unteransprüche 6 bis ss, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochfrequenzspule axial zum Brenner ange ordnet ist, durch die das Brenngas strömt, und dass Vor richtungen vorgesehen sind, mittels derer ein elektrischer Hochfrequenzstrom an die Spule gelegt werden kann.
    10) Vorrichtung nach Patentanspruch 1I und Unter ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass inner halb des Rohres in dessen Mitte ein Flammenhalter an geordnet ist, der mit dem Rohr eine Ringkammer für die Gasströmung zur Führung der Flamme innerhalb des Rohres bildet, wobei das Brennstoffgemisch durch die Ringkammer gespeist ist und der Flammenhalter in axialem Abstand nach innen vor der Rohröffnung liegt, deren Öffnungsquerschnitt gleich dem gegenüber dem Flammenhalter liegenden Rohrquerschnitt ist, und dass Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Entladung zwi schen Rohr und Flammenhalter vorgesehen sind.
    11) Vorrichtung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse am Rohrende vorgese hen ist, wobei die den Mündungsquerschnitt des Rohres verengende Düse eine Düsenbohrung aufweist, und dass der Flammenhalter zur Bildung eines ausreichend gros sen Brennkammervolumens zur praktisch vollständigen Verbrennung des Gasgemisches innerhalb der Kammer sich in einem axialen Abstand vor der Düsenbohrung befindet.
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