CZ305206B6 - Plazmatron s obloukem stabilizovaným kapalinou - Google Patents

Abstract

Řešení se týká plazmatronu s obloukem stabilizovaným kapalinou, ve kterém je elektrický oblouk hořící mezi katodou (1) a anodou (2), které jsou připojené k hlavnímu napájecímu obvodu (A) přes spínač (13), stabilizovaný parami kapaliny uvolňovanými z kapaliny v sériově uspořádaných vírových komorách (6) stabilizačního kanálu (15) uspořádaného mezi katodou (1) a anodou (2). Katoda (1) je od stabilizačního kanálu (15) oddělená katodovou tryskou (3), ke které je připojený vysokonapěťový obvod (B) pro generování vysokonapěťového pulzu při startu plazmatronu, který je připojený jednak přes oddělovací obvod (C) k anodovému výstupu hlavního napájecího obvodu (A) a jednak ke katodě (1).

Description

Plazmatron s obloukem stabilizovaným kapalinou

Oblast techniky

Vynález se týká plazmatronu se stabilizací oblouku kapalinou resp. jejími parami, které se uvolňují z vnitřních stěn virů kapaliny vytvářených v sériově uspořádaných virových komorách stabilizačního kanálu uspořádaného mezi katodou a anodou, mezi nimiž hoří oblouk.

Dosavadní stav techniky

Vedle běžně používaných plazmatronů se stabilizací oblouku proudícím plynem jsou pro některé plazmové technologie, jako je zejména plazmové stříkání, rozklad odpadů a zplynování organických látek, používány plazmatrony se stabilizací oblouku kapalinou, což je u dosud užívaných provedení voda. Tyto plazmatrony vykazují v některých aplikacích unikátní vlastnosti, které souvisejí s vysokými teplotami a rychlostmi plazmatu generovaného v oblouku stabilizovaném vodou. U plazmatronů stabilizovaných kapalinou je oblouk hořící mezi elektrodami stabilizován kontaktem s vnitřní stěnou víru kapaliny, který je vytvořený ve stabilizační komoře s tangenciálním vstřikem kapaliny. U dosud známých řešení je vír kapaliny rozdělený na několik sekcí oddělených od sebe přepážkami s centrálními otvory, které vymezují vnitřní průměr víru. Kapalina se přivádí samostatně do každé sekce a je odsávána vjednom nebo několika místech podél stabilizačního kanálu. Známo a popsáno je několik řešení systému přepážek, které mají zajistit stabilní vír kapaliny a tím i stabilní hoření oblouku a požadované parametiy generovaného proudu plazmatu, viz např. patent čs. 232421. Pro zlepšení vlastností stabilizačního víru kapaliny bylo podle patentu US 3 712 996 navrženo řešení, ve kterém je rozvod kapaliny do sekcí kontrolován řízenými ventily.

Stabilizační systém plazmatronu a uspořádání vírových a odsávacích komor se zlepšenou stabilitou víru je navržený v patentu čs. 283616, kde se zároveň popisuje řešení s oddělenou katodovou komorou s ochrannou atmosférou plynu, která zajišťuje ochranu katody před atmosférou s obsahem kyslíku, která je vytvořená ve stabilizačním kanálu a která vede k silné erozi a ubývání katody.

Základním problémem u všech dosavadních řešení plazmatronů stabilizovaných kapalinou je zapalování oblouku. Pro dosažení stabilního hoření oblouku a dostatečného elektrického výkonu musí mít stabilizační vír kapaliny dostatečnou délku a jeho vnitřní průměr musí být dostatečně malý. Zapálení oblouku mezi elektrodami umístěnými na koncích víru je za těchto podmínek obtížné a není možné použít ani žádné řešení zapalování oblouku využívané u plazmatronů stabilizovaných plynem. U dosavadních řešení plazmatronů stabilizovaných vodou se oblouk zapaluje výbuchem drátku, který je zasouván před startem do plazmatronu a spojuje vodivě katodu uvnitř plazmatronu s anodou. Zasunutí drátku do dlouhého a úzkého stabilizačního kanálu s rotující kapalinou je obtížné. Při špatné poloze drátku a nedostatečném elektrickém kontaktu s katodou je zplynění drátku nedostatečné, části drátku jsou zachycovány vodním vírem a způsobují zablokování vstřikovacích otvorů a poruchu funkce plazmatronu, což je poměrně častý jev. Tato skutečnost podstatně komplikuje průmyslové využití plazmatronu a je příčinou jeho dosavadního omezeného rozsahu aplikací. Zapalování oblouku zasunutím drátku navíc zcela vylučuje využití plazmatronu v uzavřených reaktorech a podstatně tak omezuje využitelnost plazmatronů stabilizovaných vodou například pro rozklad odpadů a zplynění organických látek.

Úkolem předloženého vynálezu je tedy navrhnout plazmatron s obloukem stabilizovaným kapalinou, který by eliminoval shora zmíněné nedostatky známých plazmatronů, snadno by se zapaloval bez použití startovacích drátků nebo pohybu elektrod a byl využitelný pro plazmové technologie, jako je plazmové stříkání, plazmové řezání, zplynování biomasy a organických látek a pro rozklad odpadů a škodlivých látek.

- 1 CZ 305206 B6

Podstata vynálezu

Shora uvedené nedostatky popsaného stavu techniky prakticky odstraňuje a vytčený úkol řeší plazmatron s obloukem stabilizovaným kapalinou, ve kterém je elektrický oblouk hořící mezi katodou a anodou, které jsou připojené k hlavnímu napájecímu obvodu přes spínač, stabilizovaný parami kapaliny uvolňovanými z vnitřních stěn vírů kapaliny v sériově uspořádaných vírových komorách stabilizačního kanálu uspořádaného mezi katodou a anodou, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že katoda je od stabilizačního kanálu oddělená katodovou tryskou, ke které je připojený vysokonapěťový obvod pro generování vysokonapěťového pulzu při startu plazmatronu a tento vysokonapěťový obvod je připojený jednak přes oddělovací obvod k anodovému výstupu hlavního napájecího obvodu a jednak ke katodě.

Podle jednoho výhodného provedení je vysokonapěťový obvod připojený ke katodě přes hlavní napájecí obvod a spínač.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu je anoda tvořená výstupní tryskou plazmatronu.

U plazmatronu podle vynálezu je s výhodou anoda umístěná ve směru proudu plazmatu vně za ústím výstupní trysky.

Výhodné je pak takové provedení, u kterého je výstupní tryska přes druhý kondenzátor a odpor připojená k anodovému výstupu hlavního napájecího obvodu.

U plazmatronu podle vynálezu je anoda s výhodou tvořená rotujícím diskem chlazeným kapalinou.

Jako účelné se pak ukázalo vytvořit oddělovací obvod z oddělovací diody a kondenzátoru.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn na příkladech konkrétních provedení plazmatronu znázorněných na připojených výkresech, na kterých představuje:

obrázek 1 - plazmatron s vnější anodou umístěnou před výstupní tryskou, obrázek 2 - plazmatron s anodou ve formě výstupní trysky, přičemž oba obrázky ukazují alternativy rozmístění vstupů a výstupů pro přívod resp. odsávání kapaliny ze stabilizačního kanálu, a obrázek 3 - jednu alternativu zapojení zapalovacího obvodu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Z obrázků 1 a 2 je dobře patrné, že katoda i plazmatronu je od stabilizačního kanálu 15 s vírem kapaliny oddělená katodovou tryskou 3. Anoda 2 je podle obr. 1 umístěná ve směru proudu plazmatu za výstupní tryskou 4, zatímco podle obr. 2 výstupní trysku tvoří. Prstencové přepážky 5 se středovými otvory vymezují vnitřní průměr víru kapaliny uvnitř stabilizačního kanálu 15. Kapalina se vstřikuje do prostorů vírových komor 6 mezi přepážkami 5 popřípadě mezi přepážkami 5 a katodovou tryskou 3 a výstupní tryskou 4 tangenciálně ve vstupních polohách naznačených šipkami a je odsávána z odsávacích komor 7 ve výstupních polohách označených rovněž příslušně orientovanými šipkami. Ve stabilizačním kanálu 15 je tak vytvořený vodní vír resp. vír 8 kapaliny. Do katodového prostoru 9 mezi katodou 1 a katodovou tryskou 3 se dodává plyn,

-2CZ 305206 B6 který proudí otvorem katodové trysky 3 do stabilizačního kapalného víru ve stabilizačním kanálu J_5 plazmatronu.

Mezi anodu 2 a katodu i je přes spínač 13 připojený hlavní napájecí obvod A. Mezi katodu i katodovou trysku 3 je zapojený vysokonapěťový obvod B, který je připojený k anodové části hlavního napájecího obvodu A přes oddělovací obvod C, který je u znázorněného příkladu provedení tvořený prvním kondenzátorem W a oddělovací diodou J4. U provedení s vnější anodou 2 podle obrázku 1 může být výstupní tryska 4 připojená k anodovému obvodu pro zlepšení funkce zapalování přes odpor 12. V sérii s odporem 12 pak může být zapojený druhý kondenzátor 14, který zajišťuje omezení proudu protékajícího výstupní tryskou 4 po zapálení hlavního oblouku. Jak je ukázáno na obrázku 3, může být vysokonapěťový obvod B připojený tak, zeje na jedné straně zapojený mezi oddělovací obvod C a katodovou trysku 3 a na straně druhé k anodovému výstupu hlavního napájecího obvodu A.

Při startu plazmatronu dojde po sepnutí spínače 13 k iniciaci vysokonapěťového obvodu B, který generuje vysokonapěťový impulz o napětí vyšším, než je průrazné napětí mezery mezi katodou I a katodovou tryskou 3, mezi nimiž se vytvoří jiskrový výboj. Po přeskoku je přes vodivý kanál vytvořený mezi katodou i a katodovou tryskou 3 nabíjen z hlavního napájecího obvodu A první kondenzátor 10 a v katodovém prostoru se vytvoří pomocný oblouk. Plazma tohoto pomocného oblouku je transportováno proudícím plynem stabilizačním kanálem 15 s vírem kapaliny resp. vodním vírem směrem k anodě 2. Po dosažení anody 2 dojde k vodivému spojení katody i s anodou 2 a je zapálen hlavní oblouk napájený z hlavního napájecího obvodu A. Pokud je u provedení s vnější anodou 2 podle obr. 1 zapojen odpor 12, dojde po dosažení výstupní trysky 4 k průchodu proudu mezi katodou i a výstupní tryskou 4 a tím k dodání energie do vodivého kanálu plazmatu, částečnému ohřevu plazmatu a zlepšení funkce zapalování. Elektrické obvody A a B a C jsou řešeny tak, že po zapálení hlavního oblouku mezi katodou I a anodou 2 dojde k samovolnému uhašení pomocného oblouku hořícího mezi katodou I a katodovou tryskou 3.

Vynález tedy řeší problém zapalování oblouku v plazmatronu, umožňuje opakované zapálení plazmatronu bez úprav po jeho vypnutí, umožňuje zapalování plazmatronu v uzavřených reaktorech a odstraňuje nebezpečí kontaminace stabilizačního kanálu 15 plazmatronu při opakovaných startech. Tím se podstatně rozšiřuje rozsah možností technologických aplikací plazmatronů stabilizovaných kapalinou a zlepšuje se operativnost obsluhy plazmatronů a spolehlivost jejich funkce.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle vynálezu je využitelné pro generování proudu termického plazmatu s vysokou entalpií resp. energetickým obsahem, vysokou teplotou a rychlostí. Takovéto plazma je použitelné pro různé plazmové technologie, především pro vytváření ochranných vrstev plazmovým stříkáním, pro plazmové řezání, pro rozklad a likvidaci chemicky stálých škodlivých látek a pro zplynování organických látek a biomasy a produkty syntetického plynu.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Plazmatron s obloukem stabilizovaným kapalinou, ve kterém je elektrický oblouk hořící mezi katodou (1) a anodou (
2. 2), které jsou připojené k hlavnímu napájecímu obvodu (A) přes spínač (13), stabilizovaný parami kapaliny uvolňovanými z vnitřních stěn vírů kapaliny v sériově uspořádaných vírových komorách (6) stabilizačního kanálu (15) uspořádaného mezi katodou (1) a anodou (2), vyznačující se tím, že katoda (1) je od stabilizačního kanálu (15) oddě-3CZ 305206 B6 lená katodovou tryskou (3), ke které je připojený vysokonapěťový obvod (B) pro generování vysokonapěťového pulzu při startu plazmatronu, který je připojený jednak přes oddělovací obvod (C) k anodovému výstupu hlavního napájecího obvodu (A) a jednak ke katodě (1).

   5 2. Plazmatron podle nároku 1, vyznačující se tím, že vysokonapěťový obvod (B)je ke katodě (1) připojený přes hlavní napájecí obvod (A) a spínač (13)
3. 3. Plazmatron podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že anoda (2) je tvořená výstupní tryskou (4) plazmatronu.
4. 4. Plazmatron podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že anoda (2) je umístěná ve směru proudu plazmatu vně za ústím výstupní trysky (4).
5. 5. Plazmatron podle nároku 4, vyznačující se tím, že výstupní tryska (4) je přes 15 druhý kondenzátor (14) a odpor (12) připojená k anodovému výstupu hlavního napájecího obvodu (A).
6. 6. Plazmatron podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že anoda (2) je tvořená rotujícím diskem chlazeným kapalinou.
7. 7. Plazmatron podle některého z nároků laž6, vyznačující se tím, že oddělovací obvod (C) je tvořený oddělovací diodou (11) a prvním kondenzátorem (10).