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.
Method and device for generating a high temperature gas jet The invention relates to a method and a device for generating a high temperature gas jet.
The inventive method is characterized in that a turbulent flow of a combustion gas mixture is generated, that a flame is formed by chemical combustion in the flow and an electrical discharge is generated by the flame, such that practically the entire flow of combustion gas flows through the discharge zone and whose temperature is increased.
An air-fuel mixture is used as the fuel, for example.
It is known that the range of the working temperature of an ordinary air fuel flame up to the high working temperatu ren of an arc is extended by the addition of elec tric thermal energy to a hot flame. With the known methods, such a temperature range can only be achieved in a very expensive manner, for example by using expensive fuels such as hydrogen or acetylene or oxygen-enriched combustion air, if it is not at all impossible to reach such a temperature range without an electric arc .
In general, inexpensive fuels can be used in the invention which, for example, reach temperatures of 2000 K or more when they are burned. In order to achieve the required high tempera ture, the electrical discharge can be operated with a relatively high voltage and low amperage. Many important applications of hot gas jets cannot be carried out because the combustion temperatures of ordinary fuels are too low. Certain metallurgical processes, as is the case with aluminum because of the heat dissipation, cannot be carried out at this low temperature.
Welding and flame cutting as well as melting of metals and heat-resistant materials occurring under the earth's crust at high temperatures are significantly improved by the method and the device. The present invention is also suitable for chemical processes that require high temperatures, such as is the case, for example, in the production of acetylene.
The term distributed discharge denotes an electrical discharge which is spatially extended in such a way that practically the entire combustion gas flow passes through the discharge zone. Such a distributed discharge has a relatively high voltage and a low current flow.
The advantages of such a discharge are first of all that the electrode problem is simpler because of the lower current flow with respect to a discharge of the arc character with low voltage and high current flow, preferably with the same power passage.
In the drawing, embodiments of the invention are shown, for example.
Fig. 1 shows a longitudinal section through a Ausfüh approximately form according to the invention; Fig. 2 shows the section line 1I-11 of Fig. 1; FIG. 2A shows the view of a modification of the device according to FIG. 1; Fig. 3 shows the operating characteristic of the burner; Fig. 4 shows the use of the device for drilling holes in the earth's crust; FIG. 5 corresponds to FIG. 1, but a modification of the device is shown here;
6 shows a longitudinal section through a further modification of the device; 7 shows the longitudinal section through a furnace in which metal oxides are melted; 8 corresponds to FIGS. 1 and 5 and represents a further embodiment of the device. According to FIGS. 1 and 2, the burner consists of a housing or a burner tube 10, through which the outer electrode is formed, within which a concentric center electrode 12 is located is located.
For the purpose of forming an annular gas channel 14, an intermediate space remains between the electrodes 10 and 12 through which an explosive mixture formed, for example, from air and ordinary hydrocarbon fuel is passed.
An outer sleeve 16 and an inner sleeve 18 surround the corresponding electrode and form an annular gas channel 20 which surrounds the main channel 14 and another annular gas channel 22. The gas channels 20 and 22 end at the edge of the burner and let ring-shaped guide flames 20a and 22a emerge, which calm the ring-shaped flame cone 24 when the outflow speed of the gases requires this.
An electrical circuit is formed by a grounded line 26 connected to the combustion tube electrode 10 and a line 28 connected to the center electrode 12.
During operation, the mixture burns off in the flame cone 24. Within the visible, turbulent flame cone, one separates with the wave-shaped lines! 36 the focal wave indicated the cold, unburned mixture of the hot fuel gas.
The gas temperature rises within the thin focal wave, so that the gas density falls accordingly. As long as no electric field is given up from the outside, ionization of considerable concentration occurs within the focal wave 36, while behind the flame cone there is a lower ionization strength in the hot gas flow.
Between the electrodes 10 and 12 there is a cold, relatively dense, electrically non-conductive gas mixture within the combustion tube and a generally conical cold gas mass which extends between the channel of the combustion tube and the flame cone. The electrodes 10 and 12 are electrically connected to each other by the ionized areas of the focal wave and by the ionized area of the hot burning gas.
In order to give off an electrical flow of heat to the flame, either an alternating or direct voltage is applied to the electrodes 10 and 12. As shown in Fig. 1, the measure of using an alternating current is shown. An input circuit 30 containing the secondary winding of a step-up transformer 32 is connected to the electrode lines 26 and 28 for the purpose of transmitting the alternating current.
The applied voltage moves the ions and the electrons present in the flame and generates a comparatively weak current flow between the electrodes, which passes through the flame volume. First of all, the current density is highest in the immediate vicinity of the focal wave, since there the ion density is strongest and the path length of the discharge is shortest. As soon as the voltage applied to the electrodes increases, the impact ionization begins.
The current and thus the power input into the flame increase. When the input power increases, the gas temperatures also increase. At high gas temperatures, pronounced increases in temperature ionization appear, which are dependent on the ionization potential of the fuel gas mixture.
This ionization resulting from the high gas temperature increases the current density and reduces the voltage at which the required power can be delivered to the flame. As a result, the temperature ionization of the gas flow defines an upper limit for the temperature to which the gas flow can be heated with a distributed high voltage discharge.
However, the gas temperature can rise below this limit due to lower voltage and greater current discharge, as will be explained below.
The maximum gas temperature limiting the range of high discharge voltage is determined by the ionization potential of the fuel gas mixture. For a gas mixture with about 1% NO content, the temperature limit is about 4000 K. For gas mixtures with CO, C02, N2 and H20 content, the temperature limit is about 6000 K.
As is known, a distributed glow discharge can only be achieved at low gas pressures in a stationary gas atmosphere. With increasing pressures, the distributed discharge becomes unstable until the discharge path is finally concentrated in a narrow course and the discharge changes into an arc with a low arc voltage.
The reason for this instability and the subsequent transition can be seen in the fact that, due to random increases in the current density in some areas of the discharge, the gas temperature and thus the ionization density in these areas of the discharge increases and the gas density is reduced here . The conductivity in these regions increases compared to the surrounding regions, which causes a further concentration of current. At low gas pressures, temperature fluctuations and ionization density are quickly compensated for, so that a distributed discharge is possible.
At higher gas pressures, however, the molecular diffusion is not strong enough to prevent non-uniformities, so that the discharge changes into a concentrated arc discharge of low voltage.
As already stated above, there is a requirement to achieve a distributed discharge at high voltage in the flame. Since various factors contribute to ensuring a distributed discharge in the flame, this is possible so that the transition to a concentrated discharge arc is eliminated. First of all, the flame temperature is high because of the combustion and therefore the gas density is relatively low.
For example, the gas density corresponds to one atmosphere and at 2000 K a gas density of 0.14 At. at room temperature. Due to the low fluctuations in the gas temperature, which is already very high, only minor fluctuations in the gas density are caused. In addition, as a result of the combustion process, the burning gases are already ionized to a small extent. As a result, small deviations in the current density have a far smaller concentration effect on the discharge in the flame than on a discharge in a combustion taking place in the atmospheric air.
The turbulent flame also has a strong turbulence, which is favored by niedri ge density and high temperature, as a result of which a very strong dispersing effect is achieved compared to molecular diffusion. Because of this turbulence, accidental temperature changes and changes in the ionization density are balanced out before they can cause a concentrated discharge.
The third factor is the constant renewal of the mass of gas that carries the electrical discharge. Since every gas mass is exposed to the discharge for a short period of time, no large temperature differences and differences in density can develop.
The operating curve 38 shown in FIG. 3 illustrates the stabilization by which the formation of an electric arc is prevented. The curve 38 represents the course of the current over the direct voltage E. Initially, the current increases as the voltage increases. In this area the current is carried by the ionization present in the flame. If the voltage is increased further, the current increases sharply due to the additional ionization generated by the collization. At an even higher voltage, the current increases even further because of the thermal ionization of the gas. At a point 40, the voltage has reached its maximum and drops as the current increases.
In this area of negative characteristics, the density of the thermal ionization increases by leaps and bounds, so that the discharge can express itself in a voltage vessel.
As a safety measure to prevent arcing in the event that the voltage rises too high and the current drops, two resistors connected in series, consisting of a resistor R and an induction resistor L, can be switched into the input circuit 30 according to FIG. As the voltage across R and L drops, the current and its amount of change increase. The potential gradient present between the electrodes 10 and 12 is reduced by the resulting voltage absorption. The necessary stabilization of the current curve is achieved by the resistors in the area below the point 40, where it begins to take a falling course.
In Figures 1 and 2, a burner is shown in which the flame is completely limited at its base by the electric. However, the flame need not be limited in this way. The electrical discharge can be distributed by two electrodes separated from the burner and entering the flames from opposite sides. Such an arrangement is shown in FIG. 2A. Here, the combustion tube is labeled 11 be, through which the fuel-air mixture flows and is ignited at the tube mouth, a flame 13 with a flame cone 13a is formed. Two electrodes 15 and 17 connected to lines 26 and 28 extend into the flame from both sides.
A distributed electrical discharge is created through the flame so that essentially all of the flow of fuel gases passes through the discharge.
In connection with Figs. 1, 2 and 2A Flam men are described that are generated by premixed Explosivmi mixtures. The invention can also be implemented with so-called diffusion flames. In this case, the fuel gas is passed only through the tubes 10 and 11, while the air necessary for the combustion is supplied to the flame base by convection from the atmosphere surrounding the flame.
In the following, first the voltage discharge with neglected temperature ionization and secondly for the case of noticeable temperature ionization of the gas be calculated. First, the field strength of a glow discharge in a column of air results from
EMI0003.0021
Here E is the electric field strength in volts / cm and p the gas pressure at 0 C. During operation, a gas pressure of p = 76 mm results at a flame temperature of 2,730 K and atmospheric pressure.
This pressure creates an electric field strength of: E = p = 76 X 20 = 1,520 volts / cm. Of course, under the operating conditions, the path length of the discharge between the electrodes is 10 cm along the flame. The voltage of this discharge under these conditions is: E = 10>: 1,520 = 15,200 volts, to which the voltage at the electrodes drops. In order to achieve the desired voltage, the voltage must be increased by a few 100 volts.
At these high voltages, moderate glow discharge currents are sufficient to deliver high amounts of power to the flame. For example, a discharge voltage of 16,000 volts and a current of 2 amps -
EMI0003.0026
= 32 kW in the flame, which results in a constant heat generation of 27 720 kcal / h.
In the state of noticeable temperature ionization of the gas, the following values result. A fuel gas at atmospheric pressure consisting of N2, C02 CO and water vapor and at a partial pressure of 140 mm Hg, but without NO or metal vapors, contains approximately 2> at 4000 K; 1011 ions and electrons per cubic centimeter.
With a voltage gradient of 500 volts / cm, the current density is 0.137 amperes / cm2, the heat generation is 68.5 watt / cm3. The temperature rise of the gas flow is 685 C / em in the direction of flow, measured at a flow rate before. 100 cm / sec.
In contrast to the example above, the ion electron concentration and thus the current density becomes much denser if some NO or metal vapor is present in the combustion product. For example, at 4000 K sodium delivers an ion-electron concentration of 2.28 X <B> 1013 </B> ions and electrons per cubic centimeter at a partial pressure of 0.1 mm Hg.
A voltage gradient of 100 volts / cm results in a current density of 5.1 amps / cm2, the heat generation is 510 watt / cm3 and the temperature rise of the gas flow is 5100 C / cm assuming a gas flow rate of 1000 cm / sec .
The ion-electron concentration increases sharply with increasing gas temperature. As a result, the current-voltage characteristic of the discharge can react very sensitively to the temperature fluctuations of the gas. This sensitivity can be mitigated by adding small amounts of metal atoms with low ionization potential to the gas mixture.
These additives result in complete ionization at comparatively low gas temperatures and in the temperature range of interest here, they produce an almost constant basic ionization. At a temperature of 3000 K, for example, Na reaches a degree of ionization of 0.48 at a partial pressure of 0.001 and generates an ion-electron concentration of 1.5 X 1012 / cm3. At 4000 K the degree of ionization is 0,
995 and an ion-electron concentration of 2.4 X 1012 / cm3- In the subject matter of the invention, the most important prerequisite is to generate a distributed electrical discharge in a flame. This means that the discharge should expand more or less uniformly through the entire flame volume.
As much electrical power can be introduced into the flame as required to achieve the desired temperature. This results in high currents at high temperatures and when the ionization potential is low in gas. The currents are in turn limited by the availability of suitable electrics.
Because of the high temperatures that develop in the flame, and because of the excellent thermal conductivity of the flame's products of combustion, which is created by the reunification of the dispersed molecules at low temperatures, the flame can very quickly melt any material found under the earth's crust. As a result, these flames are suitable for drilling deep holes.
In Fig. 4 a device is shown which can be used for this purpose ver. One or more burners, as shown, for example, in FIG. 1, can be accommodated in a drill pipe 44. In order to simplify the representation, only one burner is shown in FIG. In the burner, a combustion mixture is passed through the tube surrounding the elec trode 12, as has already been stated in connection with the description of the embodiment of FIG.
A high voltage is applied to the electrode 12 and the tube 10 through the lines 26 and 28. The flame is stabilized by an annular guide flame, not shown in FIG. 4, which is just like the guide flames 20a and 22a according to FIG. 1.
Since the flame is stabilized by the ring-shaped guide flames, the flow speed of the gas is very high and moves in an order of magnitude of over 30 m / sec.
The flame hitting the bottom of the borehole at high speed and temperature is deflected and forms a hot, thin layer of blown air that sweeps over the surface of the rock to be melted. Because of the high flow velocity and the resulting high turbulence, the relatively short distance between the hot gas flow and the rock and the high degree of disassociation of the combustion products, there is a very high heat transfer to the rock.
The heat loss through the pipe in the rock is only a fraction of the heat given off. The molten material is lifted from the bottom of the cavity by the high blowing speed and broken down into small fractions. These parts are conveyed to the upper surface by an auxiliary air stream that passes through openings 46 open at the top in the vicinity of the bottom of the drill pipe.
However, since a large gas is required for drilling rocks, a burner shown in FIG. 5 is to be preferred, in which a particularly high fuel gas velocity is generated. In this fast-flowing burner, two circuit lines 28 and 26 are connected to an electrical power source, as already described above, and are connected to the central electrode 12 'within the burner and to the outer electrode 10' forming a combustion tube.
In the particular embodiment, which is particularly intended for drilling, the line 12 'to the central electrode is advantageously designed as an insulated coaxial conductor indicated by the dashed lines 28b. The outer electrode 10 'forms the base electrode.
The conductor 28b is connected to the inner end of the center electrode 12 ', which has an enlargement at its opposite end, which is designed as a disc-shaped flame holder 48, which at the same time has a radial shoulder within the outer electrode 10' and an axial inner shoulder of the edge 50 forms.
A liquid-filled cooling jacket 52 surrounds the combustion tube in the vicinity of the burner mouth 50, with suitable means being provided to direct the cooling liquid through the cooling jacket during operation of the burner. The flame cone denoted by 54 is stabilized by the flame holder 48 and is fed by explosive air and fuel mixtures flowing in the direction of the arrow in FIG.
The potential difference between the electrodes 10 'and 12' causes a distributed discharge in the form of a cone delimited by the combustion wave and indicated by the wavy line 56.
Since the pipe 10 'has a uniform inside diameter, the hot combustion products are limited by the same cross-sectional areas as the unburned gases. The gas volume is increased by burning off, so that the increase in expansion results in an acceleration and thus a very high flow velocity.
Since the unburned gases are introduced into the burner at a high initial velocity, very high fuel gas velocities arise which finally approach the velocity of sound.
If a high speed and high temperature of the discharged gases are formed in this way, a faster work process is achieved than in an embodiment according to FIG. 4.
As already mentioned, strong currents can be required to bring the flame temperature to a certain value. This is partially true when the gas consistency forming the flame contains metal atoms, since the ionization potential of the metal atom is low. So is z. B. the ionization potential of aluminum 5.90 volts and that of titanium 6.83 volts. At temperatures exceeding 3000 K, the conductivity of the gas, which contains metal vapors, becomes very high.
For example, a gas containing titanium vapors at a pressure of 1 mm Hg at 3000 K produces an ion-electron concentration of 2.56 X 1012 per cubic centimeter. With a voltage gradient of 1 volt / cm, the current density is 12 amperes / cm2. At 3500 K the ion-electron concentration is 1.4 X 1013 / cm3, with the current density being 38 amperes / cm2.
At 4000 K the ion-electron concentration reaches 1 X 1015 / cm3 and the current density 30 Am perecm3.
Such high ionization densities require high currents in order to deliver a strong increase in electrical power to a given gas volume. It can be very difficult or expensive to use electrodes that can withstand such high currents. In this case it can be advantageous to transfer the electrical power to the highly heated gas by electromagnetic induction. Such a measure is shown in FIG.
As shown in this figure, a burner similar to that in FIG. 1 is used, in which a flame is generated and a distributed discharge takes place through the flame. At an axial distance from the burner mouth is an electrical induction coil 58, which is supplied by a source with electrical high-frequency current.
The frequency has a magnitude of 10,000 Hz, for example. As shown in FIG. 6, the combustion products move through the coil 58. The coil generates a high current in the highly conductive gas flow, as is known from induction heating is.
This electromagnetic induction heating to increase the flame temperature can be transmitted directly to the flame without making a distributed electrical discharge through the flame, as described above. This is particularly true when the ionization density of the gas has been increased by adding substances with a lower ionization potential. However, this is recommended in individual cases to increase the flame temperatures, which are already high when using the distributed electrical discharge, i.e. at temperatures that make it difficult to select and design suitable electrodes.
The invention is particularly suitable for various ne metallurgical processes in which high temperature flames are required, for example for the reduction of aluminum or titanium oxide from the pure metal. Such a reduction can be achieved directly by the flame, since it can be brought up to the required temperature.
The reduction process is carried out by the flame by creating a reducing atmosphere by introducing a metal oxide dust into the hot flame. The metal particles melt and evaporate in the high flame temperature. The reduction takes place on the surface of the particles or in the gaseous phase after evaporation. The reduced metal becomes vaporous and precipitates like a liquid from the gas stream.
In Fig. 7, a furnace is shown by which such a reduction process is carried out. The furnace consists of a metallic outer jacket 60 which is lined everywhere with heat-resistant material 62 and surrounded by cooling coils 64. The furnace is divided into a reduction chamber 66, a condensation chamber 68 and a gas outlet 70. The reduction chamber and the outlet 70 are bulged out of the condensation chamber 68 and are located in the upper part of the chamber, so that the gas from the reduction chamber enters the condensation chamber and circulates there until it reaches the outside through the outlet 70.
At the end of the reduction chamber facing away from the condensation chamber, a burner similar to that of FIG. 1 is provided. The combustion mixture fed into the burner is chosen so that the combustion products of the reduction flame contain a high carbon oxide or hydrogen content. A distributed electrical discharge is passed through the flame in the same way as described above, so that the gas temperature rises to the desired level. The metal oxide to be reduced in the flame is fed to the flame in the form of fine powder by a gas stream.
If carbon is required for this purpose, it can also be carried by the gas flow or it can be carried by a separate gas flow enveloping the flames.
The hot flame melts and vaporizes the powdered metal oxide and this oxide is reduced to metal when it is in the gas phase. The metal vapors, along with other combustion products, then enter the condensation chamber, where the gas temperature is reduced to such an extent that the metal vapors condense.
To generate the condensation of the metal, the condensation chamber is kept at a suitable temperature by cooling the jacket 60 by the cooling coils 64 and by selecting a suitable heat-resistant lining of a suitable thickness so that the effect of the cooling coils can come into play. The condensed metal becomes drop-shaped and settles out of the gas flow and is collected in a basin located at the bottom of the condensation chamber. The molten metal can reach the outside through a branch channel 72 from the chamber floor.
The exhaust gas exits the condensation chamber through outlet 70 and its heat can be recovered by known devices and techniques and used for other purposes. Fine metal dust or dust can be separated from the gas flow and subjected to a repeated process.
In a certain embodiment according to the invention, a very hot gas stream is to be generated which has a relatively narrow cross section and which reaches a speed of up to the speed of sonic flow. Such a hot gas stream is used when cutting rocks, the incision should be very narrow and much deeper than its width. The concentration of a hot gas stream creates a narrow cut and the high speed of the hot gases flings the detached rock particles outwards during the cutting process.
8 shows a device for generating a concentrated stream of hot gases, the flow rate reaching supersonic speed.
In the device according to FIG. 8, a tube 58 is easily seen, which is designed as an outer electrode and through which an explosive air-fuel mixture flows from the left to the right according to the arrows shown. The device also includes a Flam menhalter 60, which also acts as an electrode. The electric de 60 is at a distance in the middle of the tube 58 and at an axial distance behind the end of the tube from which the hot gas emerges. The space within the tube 58 between the end of the flame holder 60 and the nozzle 70 forms the combustion chamber in which substantially all of the explosive air-fuel mixture burns.
The chamber dimensions vary according to all factors known to those skilled in the art, such as the amount of gas flow, the flow pressure, the nature of the mixture and the pressure under which the combustion takes place. In general, the distance between the flame holder 60 and the nozzle 70 corresponds to twice the diameter of the tube 58.
The apparatus of FIG. 8 includes conventional devices, not shown in FIG. 8, by which the explosive air-fuel mixtures are introduced into the pipe 58 at high pressure. The effective pressure inside the chamber is determined by the required flow velocity from the burner. The relationship between the pressure in the combustion chamber and the exit velocity is known.
Leads 62 and 64, which are connected to an electrical source in the same manner as described above, create a potential difference between electrodes 58 and 60.
At the end of the flame holder 60, a flame having a flame shape shown by line 66 in FIG. 8 is formed. The potential difference between the electrodes 58 and 60 causes a distributed discharge in the form of a conical shape indicated by the wavy line 68, which is framed by the combustion wave.
At the end of the tube 58 a nozzle 70 is provided through which the hot gas flows off. The nozzle 70 surrounds the end of the tube 58, so that the entire burning air-fuel mixture passes through the channel 72 in the nozzle with increasing speed to the outside.
In the vicinity of the nozzle 70, the pipe 58 is surrounded by a cooling jacket 74 filled with liquid, with suitable means being provided to generate a coolant circulation through the jacket during operation of the burner.
A detailed description of the burner type shown in FIG. 8, in which an explosive mixture of kerosene and oil is burned, is given below. The tube and the outer electrode have an inner diameter of 2.54-1.27 cm. The inner electrode has a diameter of 0.96 cm and the end of the electrode is located at a distance of 101.6 mm from the entrance of the nozzle channel. The nozzle channel diameter is 0.89 cm and the diameter of the nozzle outlet 0.96 cm.
An explosive mixture of air and kerosene is fed to the pipe at a pressure of around 4 kg / cm2. The mixture is set so that the air supply drove an amount of 8.9 kg / h and the kerosene supply an amount of 4 kg / h.
The voltage required to generate the electrical power required varies between 1000 and 2000 volts, depending on the pre-ionization of the flame. Pre-ionization of the flame is achieved by adding salt to the explosive mixtures, as described above. The higher the degree of pre-ionization, the lower the voltage required. The current flow through the flame will then fluctuate between 50 and 25 amps.
A burner operated in this way generates a combustion heat of 4300 kcal / h. The heat equivalent of 50 kW. the electrical energy supplied is 43,000 kcal / h. In this way, the burner generates a total of 86,688 kcal / h of heat. The flame speed is 120.6500 cm / sec. and the flame temperature corresponds to approximately 3300 K.
After the above description it can be seen that the burner according to FIG. 8, a concentrated gas stream of high temperature at the speed of sound he testifies. Flame emission at such a temperature is suitable for cutting or drilling extremely hard or heat-resistant materials or for cutting metal with a torch.