DE10302867B3

DE10302867B3 - Verfahren zur rechnergestützten Prozessführung einer Fragmentieranlage

Info

Publication number: DE10302867B3
Application number: DE10302867A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Frey; Walter Dr. Väth
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-01-25
Filing date: 2003-01-25
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2023-01-26
Also published as: DK1585597T3; US20050252886A1; CA2513238A1; WO2004067180A1; CA2513238C; EP1585597A1; DE502004000543D1; CN100376328C; CN1741855A; US7140564B2; EP1585597B1; ATE325659T1

Abstract

Eine Fragmentieranlage, die aus einem Marx-Generator und daran angeschlossenen zwei Elektroden besteht, deren Spitzen einen einstellbaren Abstand zueinander haben, wird zum elektrodynamischen Fragmentieren von bruchartigem, festem Gut eingesetzt. Hierzu befindet sich der Elektrodenzwischenraum völlig in einer Prozessflüssigkeit. Beim Durchbruch der Funkenstrecke des Marx-Generators bildet sich im Elektrodenzwischenraum ein Entladungskanal aus. Der Zeitpunkt T¶D¶, zu dem ein solcher vollausgeprägter Entladungskanal zustande gekommen ist, und der elektrische Widerstand R¶E¶ dieses Entladungskanals bilden die beiden Regelgrößen R¶E¶, T¶D¶ zum Steuern der Fragmentieranlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützen Prozessführung einer Fragmentieranlage.
Die Fragmentieranlage besteht aus einem kapazitiven Energiespeicher, der über eine Funkenstrecke auf eine Last aus in eine Prozessflüssigkeit getauchtem Fragmentiergut zwischen zwei Elektroden entladen wird. Eine Elektrode befindet sich auf einem Bezugspotential, meist Erdpotential, und die andere auf dem Potential der Funkenstrecke, d.h. des kapazitiven Energiespeichers, wenn die Funkenstrecke gezündet hat. Während des Fragmentierungsprozesses befindet sich der Elektrodenzwischenraum völlig in der Prozessflüssigkeit. Die Prozessflüssigkeit ist meist Wasser, kann aber für spezielle Fragmentierungsprozesse auch Alkohol oder Öl oder auch ein unterkühltes flüssiges Gas wie Stickstoff sein.

Anlässlich der Power Modulator Conference in Hollywood im Juli 2002 haben W. Frey et al. einen Aufsatz mit dem Titel „Experimental Results on the Breakdown Behaviour of Concrete Immersed in Water" vorgestellt. Darin wird erläutert, wie die Effizienz der elektrischen Impulsfragmentierung von dielektrischen Festkörpern, die in Wasser eingetaucht sind, durch die Charakteristiken der Fortpflanzung des Entladungskanals von der Elektrodenspitze durch den Festkörper zu der Erdelektrodenplatte bestimmt ist. Spannungs- und Strommessungen zeigen, dass die Phase vor dem Zusammenbruch streng von der Anordnung des Festkörpermaterials im Zwischenelektrodenbereich abhängt. Kurze Entladungsverzugszeiten und niedrige Energieverluste können nur beobachtet werden, wenn der Elektrodenzwischenraum völlig mit Festkörpermaterial gefüllt ist. In diesem Fall ergibt der aus den Messungen errechnete Kanalwiderstand hohe Werte. Wenn der Entladungskanal durch eine Wasserstrecke gehen muss, steigen die Zündverzugszeiten und die Energieverluste an. Verglichen mit einem Entladungskanal durch Festkörpermaterial, zeigt ein Entladungskanal in Wasser einen kleinen Kanalwiderstand, der eine kleine Energieumsetzung in dem Kanal zeigt. Weitere Experimente zeigen deutlich, dass Gaseinschlüsse im Festkörpermaterial eine wichtige Rolle für die Entladungsentwicklung in Mineralien spielen.

Um eine Fragmentieranlage brauchbar im industriellen Maßstab fahren zu können, ist es wichtig, sie steuern und regeln zu können. In einer solchen Anlage sind Stellgrößen der Elektrodenabstand und der Grad der Materialfüllung in der Prozessflüssigkeit im Elektrodenzwischenraum. Regelgrößen sind: der Entladungswiderstand R_E und die Zündverzugszeit T_D. Bei bekanntem zeitlichem Verlauf des Entladungsstromes i(t) und der Ladespannung U_L des Impulsgenerators wird ein Fragmentierprozess mit Hilfe von R_E und T_D geregelt. Der Impulsgenerator ist hier beispielsweise ein aus der elektrischen Hochleistungsimpulstechnik bekannter Marx-Generator.

Aus der DE 100 14 393 A1 ist bekannt, zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Defragmentierungsanlage zumindest eine der Elektroden auf die zu zerkleinernde Substanz anzustellen.

Aus Untersuchungen ist bekannt: Der Widerstand einer Entladung in Wasser R_E, also ohne Anwesenheit von Fragmentiergut, ist klein. Sein Wert befindet sich im elektrischen Widerstandsbereich von 0,3 bis 0,7 Ω.

Der Widerstand einer Entladung im Fragmentiergut ist vergleichsweise groß und liegt materialabhängig im Bereich von 1,0 bis 4,0 Ω.

Befindet sich eine Mischung von Wasser und Fragmentiergut im Zwischenelektrodenraum liegt der Entladungswiderstand zwischen den oben genannten Extremwerten. Es gibt also einen Entladundswiderstandsbereich in dem ein Fragmentierbetrieb brauchbar bzw. optimal abläuft.

Die Zündverzugszeit T_D einer Entladung im Wasser, ohne Fragmentiergut, ist groß. Die Werte beginnen bei etwa 1 μs.

Die Zündverzugszeit einer Entladung im Fragmentiergut ist gering, ein Richtwert ist 200 ns.

Befindet sich eine Mischung von Wasser und Fragmentiergut im Zwischenelektrodenraum liegt die Zündverzugszeit zwischen den oben genannten Extremwerten. Damit besteht auch ein zeitlicher Zündverzugsbereich, aus dem die Zündverzugszeit sein sollte.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren zur Prozessführung einer Fragmentieranlage bereitzustellen, mit dem dieselbe während des Fragmentierbetriebs immer wieder optimal eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Zur Erläuterung der Verfahrensschritte wird hier schon die Zeichnung verwendet, die aus den 1 bis 3 besteht, und zwar:
1 zeigt das Entladewiderstand-Zündverzugszeit-Diagramm,
2 den typischen zeitlichen Verlauf des Entladestroms i(t) und
3 zeigt die Fragmentieranlage schematisch.
Den Zustand der Fragmentieranlage drückt der Entladewiderstand R_E und die Zündverzugszeit T_D aus, also müssen diese beiden Größen ermittelt werden, und zwar bei jeder Entladung oder wenn von Entladung zu Entladung keine große Abweichung zu erwarten ist, mindestens nach einer vorbestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Entladungen. Da zur Durchführung des Verfahrens ein Rechner mit eingeschlossen ist, ist ein Ermitteln von Entladung zu Entladung kein Problem.
Zunächst wird bei der Entladung der zeitliche Verlauf des Stromes i(t) durch den Elektrodenzwischenraum gemessen (siehe 2), und zwar ab Beginn des Funkenstreckendurchbruchs am Marx-Generator. Das erste Schwingungsmaximum des gedämpften Stromverlauf zum Zeitpunkt t_1max wird als Beginn einer gedämpften Cosinus-Schwingung der Form
Die Dämpfungskonstante β ergibt sich mit üblichen mathematischen Mittel aus der Stromkreisanalyse
(siehe 1, R_E repräsentiert den Entladungswiderstand). Die Kreisfrequenz der Gedämpften Schwingung ist ebenfalls bekanntermaßen
Durch algebraische Umformung gewinnt man dann einen Ausdruck für den Entladungswiderstand R_E.
Die Zündverzugszeit T_D wird aus dem zeitlichen Stromverlauf ermittelt. Es setzt die gedämpfte Schwingung ein, wenn sich ein Entladungskanal zwischen den beiden Elektroden voll ausgebildet hat (siehe 2). Damit nun liegen die beiden Regelgrößen R_E und T_D vor, die den Zustand der Fragmentieranlage charakterisieren.
Mit 1 lässt sich die momentane Istlage feststellen und gegebenenfalls lassen sich dann daraus Steuersignale zur Änderung der Stellgrößen , wie Elektrodenabstand und/oder Materialfüllung ausgeben. Die Solllage der beiden Regelgrößen R_E und T_D ist im Feld „Fragmentierbetrieb" in 1 oberhalb des vorgegebenen Mindestwiderstands R_Emi _n. Lage der beiden Regelgrößen R_E und T_D und daraus abgeleitete Stellgrößenänderung:

– Sind R_E = 0 und T_D = 0, siehe 1, liegt ein Kurzschluss vor. Als daraus abgeleitete Konsequenz muss der Elektrodenabstand vergrößert werden.
– Liegt der Entladewiderstand R_E zwischen dem kleinsten und größten Entladewiderstand, R_EW1 und R_EW2, der reinen Prozessflüssigkeit und ist die Zündverzugszeit T_D größer als die kleinste Zündverzugszeit T_DWmin in der reinen Prozessflüssigkeit, deutet das auf nicht mehr vorhandenes Fragmentiergut im Elektrodenzwischenraum hin. Als Konsequenz daraus wird Fragmentiergut in den Elektrodenzwischenraum in die Prozessflüssigkeit Wasser nachgeladen/geschüttet.
– Wird detektiert, dass der Entladewiderstand R_E größer als ein vorgegebener Minimalwert R_Emin ist und ist die Zündverzugszeit T_D kleiner als ein vorgegebener Maximalwert T_D1, wird als Konsequenz keine Neueinstellung durchgeführt, da sich beide Regelgrößen im Sollgebiet, dem „Grünen Bereich", des Fragmentierbetriebs befinden.
– Wurde bereits Fragmmentiergut nachgefüllt und unterschreitet anschließend der Entladewiderstand R_E, von hohen Werten ausgehend, einen Minimalwert R_Emi _n, wird erneut Fragmentiergut nachgefüllt,

Zum wirtschaftlichen Betreiben der Fragmentieranlage gehört es, stets mit maximalem Wirkungsgrad n zu fahren. Hierzu müssen ständig die beiden Regelgrößen R_E und T_D erfasst werden, um daraus eine eventuell notwendige Änderung der Stellgrößen abzuleiten, um zum besten Arbeitspunkt zu kommen. Ihn erhält man durch Vergleich zweier bei der elektrischen Entladung auftretenden Energieanteile, nämlich die unmittelbar vor der Entladung im Marx-Generator vorhandene Energie im Speicher E_G = ½C_S(mU_L)², mit der in den Elektrodenzwischenraum, den Entladewiderstand R_E, eingebrachten Entladeenergie
der im Entladefunken umgesetzte Energie. (U_L ist die Stufenladespannung bei einem Marx-Generator und m seine Stufenzahl) Durch das Bilden des Verhältnisses
und dem daraus abgeleitetem Steuersignal zum Verändern des Elektrodenabstands und dem Berücksichtigen der beiden Regelgrößen R_E und T_D lässt sich im Verlaufe aufeinanderfolgender Entladungen ein Maximum für den Wirkungsgrad η aufspüren, falls das Maximum noch nicht erreicht wurde. Bei guter Beladung des Zwischenelektrodenraums mit Fragmentiergut bedeutet das, dass Ändern der Stellgröße „Elektrodenabstand" bis η_max erreicht ist.
In 1 sind zwei Gebiete 1 und 2 indiziert. Befindet sich die Fragmentieranlage mit ihren Regelgrößen R_E und T_D jenseits des Fragmentiergebiets im Bereich 2, dann ist entweder der Elektrodenabstand zu groß oder die Impulsspannung zu gering, letzteres etwa durch vorzeitigen Durchbruch der Funkenstrecke im Marx-Generator. Befindet sich die Fragmentieranlage mit ihren Regelgrößen R_E und T_D diesseits des Fragmentiergebiets im Bereich 1, dann ist der Elektrodenabstand zu gering. In beiden Bereichen 1 und 2 ist an den Stellgrößen der Fragmentieranlage derart zu drehen, dass sie in den Fragmentierbetriebsbereich kommt. Das kann gesteuert geschehen oder muss im Ausnahmefall durch Vorortuntersuchung erfolgen.
Der typische Verlauf des Entladestromes i(t) bei der elektrodynamischen Fragmentierung im Elektrodenzwischenraum ist in 2 dargestellt und soll noch kurz insgesamt erläutert werden: Während der Vorentladungsphase im Zeitintervall 0 < T_D fließt ein Verluststrom in der Prozessflüssigkeit, meist Wasser, aber auch andere Flüssigkeiten, wie Ö1, Alkohol oder flüssiger Stickstoff, um nur einige brauchbare zu nennen. Der Entladungskanal hat in diesem Zeitintervall die Elektrodendistanz durch einen ausgebildeten, fragmentierwirksamen Entladungskanal noch nicht überbrückt. Ab dem Zeitpunkt T_D besteht ein solcher dann. Der Energieeintrag, durch das Integral
ausgedrückt, findet ab diesem Zeitpunkt statt. Die Regelgröße R_E wird nur durch eine Strommessung ermittelt; eine Spannungsmessung erübrigt sich mit dieser Methode.
Die Fragmentieranlage wird beispielsweise über einen Marx-Generator betrieben. Das ist schematisch in 3 dargestellt. Der Marx-Generator besteht aus dem kapazitiven Energiespeicher C_S, der während der Entladung mit einer zwar kleinen aber unvermeidbaren Induktivität L_G (Generatorinduktivität) und einem ebenso unvermeidlichen ohmschen Widerstand R_G (Generatorwiderstand) wirkt. Die beiden einander nicht berührenden vollen Punkte symbolisieren die Funkenstrecke. Diese eingerahmten, in Serie geschalteten elektrischen Baukomponenten stellen hier den Marx-Generator dar, an den im Bild rechts die Last angeschlossen ist. Die Last R_E ist der Raum zwischen den beiden vollständig in die Prozessflüssigkeit eingetauchten Elektroden, in dem sich das Fragmentiergut befindet.

Claims

Verfahren zur rechnergestützten Prozessführung einer Fragmentieranlage, die aus einem kapazitiven Energiespeicher besteht, der über eine Funkenstrecke auf eine Last entladen wird, die aus in eine Prozessflüssigkeit getauchtem Fragmentiergut zwischen zwei Elektroden besteht, wobei eine Elektrode sich auf einem Bezugspotential und die andere Elektrode sich auf dem Potential der Funkenstrecke befindet und der Elektrodenzwischenraum sich völlig in der Prozessflüssigkeit befindet, bestehend aus den Schritten: A Bestimmung der elektrischen Betriebsparameter bei mindestens einer Entladung durch: Messung und Aufnahme des zeitlichen Verlauf des Entladestroms i(t); Feststellung der Zündverzugszeit T_D aus dem Verlauf des Entladestromes i(t) vom Beginn bis zum Einsatz des gedämpft schwingenden Verlaufs; Ermittlung des Entladewiderstandes R_E aus der Dämpfung des Stromverlaufes, B Überprüfung des Betriebszustandes der Fragmentieranlage durch Vergleich der beiden gerade ermittelten Betriebsparameter mit dem Gebiet der Solllage der beiden und Ableitung eines Steuer- oder Regelsignals zur Veränderung des Prozesszustands, und zwar: sind der Entladewiderstand R_E = 0 und die Zündverzugs zeit T_D = 0, liegt ein Kurzschluss im Elektrodenzwischenraum vor und der Elektrodenabstand muss vergrößert werden; liegt der Entladewiderstand R_E zwischen dem kleinsten und größten Entladewiderstand, R_EW1 und R_EW2, der reinen Prozessflüssigkeit und ist die Zündverzugszeit T_D grösser als die kleinste Zündverzugszeit T_DWmin in der reinen Prozessflüssigkeit, wird Fragmentiergut in den Elektrodenzwischenraum nachgeladen; ist der Entladewiderstand R_E grösser als ein vorgegebener Minimalwert R_Emin und ist die Zündverzugszeit T_D kleiner als ein vorgegebener Maximalwert T_D1, erfolgt kein Eingriff; wurde bereits Fragmentiergut nachgefüllt und unterschreitet anschließend der Entladewiderstand R_E, von hohen Werten ausgehend, den Minimalwert R_Emi _n, wird erneut Fragmentiergut nachgefüllt, C Finden des besten Arbeitspunktes, und zwar: durch Vergleich der bei einer Entladung unmittelbar vor der Entladung in den Energiespeicher eingebrachten Speicherenergie E_G mit der in der Last umgesetzten Energie E_F durch Bilden des Verhältnisses η = E_F/E_G und daraus abgeleitetem Steuersignal zum Verändern des Elektrodenabstands, falls das Maximum von η noch nicht erreicht wurde.