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.