CZ305537B6 - Kapalinová soustava plazmatronu s kapalinovou stabilizací oblouku - Google Patents

Abstract

Řešení se týká kapalinové soustavy plazmatronu (1) s kapalinou stabilizovaným obloukem, která má podtlakový zásobník (2) stabilizační kapaliny s čidlem (14) hladiny kapaliny, ke kterému je připojená vývěva (3), ze kterého vystupuje napájecí potrubí (11) osazené čerpadlem (4) pro přívod stabilizační kapaliny do tangenciálně uspořádaných vstupních trysek vírových sekcí (9) stabilizační komory (10) plazmatronu (1) a do kterého ústí odsávací potrubí (12) připojené k odsávacím štěrbinám (18) plazmatronu (1), přičemž čidlo (14) hladiny v zásobníku (2) je připojené k řídicímu obvodu (17) pro ovládání regulačního ventilu (15) uspořádaného v potrubí spojujícím zásobník (2) s doplňovací nádrží (16) stabilizační kapaliny, zatímco plynová část zásobníku (2) je osazená čidlem (6) tlaku, které je připojené k regulačnímu obvodu (7) pro ovládání regulovaného přisávacího ventilu (5) vzduchu, jehož výstup ústí do plynové části podtlakového zásobníku (2).

Description

Oblast techniky

Předložený vynález se týká kapalinové soustavy plazmatronu s kapalinovou stabilizací oblouku, která má zásobník stabilizační kapaliny s čidlem hladiny kapaliny a vývěvou připojenou kjeho plynovému prostoru, ze kterého vystupuje napájecí potrubí stabilizační kapaliny osazené čerpadlem pro přívod stabilizační kapaliny do tangenciálně uspořádaných vstupních trysek virových sekcí stabilizační komory plazmatronu a do kterého ústí odsávací potrubí připojené k odsávacím štěrbinám stabilizační komory plazmatronu.

Dosavadní stav techniky

Vedle běžně používaných plazmatronů se stabilizací oblouku proudícím plynem jsou pro některé plazmové technologie, zejména pro plazmové nástřiky materiálů a zplynování organických látek, používány plazmatrony se stabilizací oblouku kapalinou. V dosud užívaných provedeních se jako stabilizační kapalina používá voda. Tento unikátní typ plazmatronu vykazuje v některých aplikacích extrémní vlastnosti, které souvisejí s vysokými teplotami, hustotami energie a rychlostmi plazmatu generovaného ve vodou stabilizovaném oblouku, které jsou u jiných typů plazmatronů nedosažitelné. 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 stabilizační kapalina přiváděna do trysek plazmatronu kapalinovým systémem s vysokotlakým čerpadlem, které vytváří na vstupu do trysek vysoký tlak. Stabilizační kapalina je odsávána v jednom nebo několika místech podél stabilizačního kanálu, viz publikace Hrabovský M, et al., Trans, on Plasma Science 34 (006), 1566; M. Hrabovský, Pure and Appl. Chem. 74 (2002), 429; Hrabovský M., et al., IEEE Trans, on Plasma Science 25 (1997), 833; Hrabovský M., Pure & Applied Chemistry 70 (1988), 1157. Z odsávacích štěrbin plazmatronu je kapalina odsávána čerpadlem zařazeným v obvodu kapaliny za plazmatron. Toto čerpadlo vrací kapalinu do otevřené zásobní nádrže kapalinového okruhu.

Základním problémem kapalinou stabilizovaných plazmatronů je stabilita vodního stabilizačního víru, která určuje stabilitu generovaného proudu plazmatu. V čs. patentu 232421 je popsáno několik řešení systému přepážek, které mají zajistit stabilní vír kapaliny a tím stabilní hoření oblouku a požadované parametry generovaného proudu plazmatu. Pro zlepšení vlastnosti stabilizačního víru kapaliny bylo v patentu US 3 712 996 navrženo řešení, ve kterém je rozvod kapaliny do sekcí kontrolován řízenými ventily. Stabilizační systém plazmatronu a uspořádání vírových komor a odsávacích štěrbin se zlepšenou stabilitou víru je navrženo věs. patentu 283616. Tento patent zároveň popisuje řešení s oddělenou katodovou komorou s ochrannou atmosférou plynu zajišťujícího ochranu katody před atmosférou s obsahem kyslíku, která je vytvořená ve stabilizačním kanálu a která vede k silné erozi a ubývání katody. Ve zveřejněné české přihlášce vynálezu PV 2010-1002 je popsané uspořádání plazmatronu a elektrický obvod pro zapalování výboje pomocným elektrickým obloukem, které odstraňuje dosud používané zapalování explozí drátku. Uspořádání anodové části vodou stabilizovaného plazmatronu je popsáno v čs. patentu 296184.

Stabilita vodního víru ve stabilizační komoře je silně ovlivněna tlaky na vstupu a výstupu plazmatronu. Zatímco stabilita tlaku na vstupu plazmatronu před vstupními tryskami stabilizační komory je snadno udržována stabilitou funkce vysokotlakého čerpadla kapalinového obvodu, podléhá tlak na výstupu plazmatronu u všech dosavadních řešení silným fluktuacím. Příčinou těchto fluktuací je přerušení kapalinového obvodu ve stabilizační komoře plazmatronu. Kapalina je zde v přímém kontaktu s plazmatem obloukového výboje hořícího ve středu víru kapaliny. Do odsávacích štěrbin, ve kterých je nízký tlak pro odsávání kapaliny ze stabilizační komoiy vytvářený odsávacím čerpadlem zařazeným v obvodu kapaliny za výstup plazmatronu, se kromě vody odsávají i produkty vznikající ochlazením plazmatu, to znamená plyny, což jsou v případě plaz- 1 CZ 305537 B6 matronů stabilizovaných vodou vodík a kyslík, a při startu plazmatronu i atmosférický vzduch. Přítomnost plynů v odsávané kapalině vede k nestabilitě funkce čerpadla odsávajícího kapalinu. To způsobuje fluktuace tlaku na výstupu plazmatronu, které vedou k nestabilitě víru a vstřikům kapek kapaliny do plazmatu. Zejména změny rozměrů stabilizačního víru a vstřik kapek do plazmatu způsobují velké fluktuace vlastností proudu plazmatu vytvářeného v plazmatronu, které jsou dosud pro vodou stabilizované plazmatrony typické a silně ovlivňují rozsah jejich aplikací v plazmových technologiích. Vlastnosti a stabilita generovaného proudu plazmatu mohou být tímto mechanismem silně ovlivněny a užitné vlastnosti plazmatronu v plazmových technologiích tak podstatně zhoršeny.

Úkolem předloženého vynálezu je tedy výše popsané nedostatky stávajících plazmatronů s kapalinovou stabilizací oblouku odstranit a navrhnout takovou kapalinovou soustavu, která by stabilitu generovaného proudu plazmatu zajišťovala.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody a nedostatky dosud používaných řešení vodního okruhu kapalinou stabilizovaných plazmatronů odstraňuje a vytčený úkol řeší kapalinová soustava plazmatronu s kapalinovou stabilizací oblouku podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že čidlo hladiny v podtlakovém zásobníku je připojené k řídicímu obvodu pro ovládání regulačního ventilu vřazeného do potrubí spojujícího podtlakový zásobník s doplňovací nádrží stabilizační kapaliny, přičemž plynová část podtlakového zásobníku je osazená čidlem tlaku, které je připojené k regulačnímu obvodu pro ovládání regulovaného přisávacího ventilu vzduchu, jehož výstup ústí do plynové části podtlakového zásobníku.

Voda nebo jiná stabilizační kapalina pro stabilizaci oblouku v plazmatronu je obsažená v uzavřeném zásobníku, ve kterém je udržována konstantní hladina kapaliny, nad kterou je dostatečný objem vzduchu pro stabilizaci tlaku v zásobníku. Čerpadlem je stabilizační kapalina vháněna do vstupních trysek stabilizační komory plazmatronu. Ve stabilizační komoře plazmatronu je známým způsobem vytvořen vodní vír. Ve středu víru se nachází plazma vytvořené z vypařené kapaliny a případně z plynu dodávaného do stabilizační komory. Výstup stabilizační kapaliny je připojený na zásobník, s výhodou do jeho části s plynem. Zásobník se stabilizační kapalinou je propojený s vývěvou, která udržuje v zásobníku snížený tlak. Čidlo tlaku v zásobníku je připojeno na řídicí obvod regulačního ventilu. Ventil řídí přisávání vzduchu z okolní atmosféry tak, aby v zásobníku byl udržován konstantní snížený tlak. Hodnota regulovaného tlaku je nastavena pro optimální funkci plazmatronu. Vlivem sníženého tlaku v zásobníku je do zásobníku nasávána z odsávacích štěrbin plazmatronu směs vody a plynných produktů interakce plazmatu se stabilizačním vírem kapaliny, případně i plynu dodávaného do stabilizační komory plazmatronu nebo přisátého z okolní atmosféry. Stabilizace výstupního tlaku z plazmatronu při odsávání této směsi je zajištěna stabilizací tlaku v zásobníku, ve kterém je udržován dostatečný objem plynu nad hladinou kapaliny.

Řešení podle vynálezu umožňuje stabilizaci tlaku stabilizační kapaliny na výstupu z odsávacích štěrbin plazmatronu a tím stabilizaci a snadnější kontrolu parametrů generovaného proudu plazmatu, na němž velmi silně závisí stabilní funkce plazmatronu, která je rozhodující pro rozsah možností využití kapalinou stabilizovaných plazmatronů v plazmových technologiích.

Objasnění výkresů

Vynález bude v dalším blíže objasněn na popisu jednoho příkladu provedení znázorněného schematicky na připojeném vyobrazení kapalinové soustavy plazmatronu podle vynálezu.

-2CZ 305537 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Podle obr. 1 je plazmatron I zapojený do okruhu s uzavřeným zásobníkem 2 stabilizační kapaliny a čerpadlem 4. V zásobníku 2 se udržuje podtlak vývěvou 3. Hodnota tlaku v zásobníku 2 se snímá čidlem 6 tlaku aje regulována přisáváním vzduchu z okolní atmosféry regulovaným ventilem 5, který je řízený regulačním obvodem 7 podle tlaku měřeného čidlem 6 tlaku. Hladina kapaliny v uzavřeném zásobníku 2 je měřena a udržována na potřebné výši regulovaným kapalinovým obvodem s čidlem 14 hladiny spojeným s regulačním ventilem 15, doplňovací nádrží 16 kapaliny a řídicím obvodem 17.

Napájecím potrubím lije stabilizační kapalina přiváděna do stabilizační komory 10 plazmatronu i ze zásobníku 2 činností čerpadla 4, které vytváří dostatečný tlak pro vznik stabilizačního víru kapaliny ve vírových sekcích 9 stabilizační komory 10. V ose víru kapaliny se nachází plazma vytvořená z vypařené stabilizační kapaliny a případně ze zapalovacího a ochranného plynu 13 katody dodávaného do plazmatronu 1. Odsávací štěrbiny 18 stabilizační komory 10 jsou přes odsávací potrubí 12 kapalinové soustavy plazmatronu i připojené k uzavřenému zásobníku 2 v oblasti nad hladinou 8 stabilizační kapaliny.

Činnost kapalinové soustavy plazmatronu byla popsána v souvislosti s výhodami řešení uvedenými vpředu za podstatou vynálezu.

Průmyslová využitelnost

Kapalinová soustava podle vynálezu je vhodná pro plazmatrony s kapalinovou stabilizovaným obloukem případně pro plazmatrony s kombinovanou stabilizací oblouku vodním vírem a proudem plynu, které jsou využitelné pro generování proudu termického plazmatu s extrémními parametry, zejména vysokou entalpií resp. energetickým obsahem, vysokou teplotou a rychlostí. Takto generovaná plazma je využíváno pro různé plazmové technologie, především pro vytváření ochranných vrstev plazmovým stříkáním, dále pro plazmové řezání, pro rozklad a likvidaci chemicky stálých škodlivých látek a pro zplynování organických látek a biomasy a produkci syntetického plynu. Popsané řešení dovoluje podstatně zkvalitnit vlastnosti generovaného proudu plazmatu a rozšiřuje možnosti aplikací kapalinou stabilizovaných plazmatronů v plazmových technologiích.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kapalinová soustava plazmatronu (1) s kapalinou stabilizovaným obloukem, která zahrnuje zásobník (2) stabilizační kapaliny s čidlem (14) hladiny kapaliny, kjehož plynovému prostoru je připojená vývěva (3), ze kterého vystupuje napájecí potrubí (11) stabilizační kapaliny osazené čerpadlem (4) pro přívod stabilizační kapaliny do tangenciálně uspořádaných vstupních trysek vírových sekcí (9) stabilizační komory (10) plazmatronu (1) a do kterého ústí odsávací potrubí (12) připojené kodsávacím štěrbinám (18) plazmatronu (1), vyznačující se tím, že čidlo (14) hladiny v podtlakovém zásobníku (2) je připojené k řídicímu obvodu (17) pro ovládání regulačního ventilu (15) vřazeného do potrubí spojujícího podtlakový zásobník (2) s doplňovací nádrží (16) stabilizační kapaliny, přičemž plynová část podtlakového zásobníku (2) je osazená čidlem (6) tlaku, které je připojené k regulačnímu obvodu (7) pro ovládání regulovaného přisávacího ventilu (5) vzduchu, jehož výstup ústí do plynové části podtlakového zásobníku (2).

   1 výkres