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.