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Die Erfindung betrifft einen wirbelstabilisierten Lichtbogen-Plasmabrenner
mit zwei koaxialen Rohrelektroden mit einer bezüglich der Elektroden tangentialen
Gaszufuhr, einem axialen magnetischen Gleichfeld zum Rotieren des Bogens um die
Elektrodenachse und einem bezüglich der Elektrodenachse radialen magnetischen Wechselfeld
zum Hin- und Herbewegen des Bogens in Achsrichtung.
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Aus der Zeitschrift IEEE Transactions an Nuclear Science, Vol. NS-11,
Januar 1964, Nr.1, S. 41 bis 46, ist ein derartiger Plasmabrenner bekannt, bei dem
in eine Lichtbogenkammer von der einen Seite eine Becherelektrode hineinragt und
eine Hohlzylinderelektrode auf der anderen Seite der Lichtbogenkammer angeordnet
ist. Es bildet sich in der Lichtbogenkammer ein Strömungszylinder und in der Becherelektrode
eine Doppelströmung mit Axialkomponente aus, durch die die Becherwand nach außen
und der Zentralbereich zur Lichtbogenkammer hin durchströmt wird. Man nimmt an,
daß im Plasmabrenner eine durchgehende Strömungssäule ausgebildet wird, die sich
bis in die Zylinderelektrode erstreckt, und daß sich der äußere Strömungszylinder
in der Lichtbogenkammer mehr wie eine freie Schraubenströmung verhält. Durch diese
Strömungsverhältnisse wird der Lichtbogen gasstabilisiert bzw. eingeschnürt. Aus
der äußeren Zylinderströmung mischt sich dabei, über die gesamte Lichtbogenlänge
verteilt, fortlaufend Gas in den Lichtbogenkern ein.
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Bei dem bekannten Plasmabrenner kann man durch eine Magnetspule, die
um den aus der Lichtbogenkammer herausragenden Teil der Becherelektrode angeordnet
ist, den Lichtbogen rotieren lassen.
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Durch das Rotieren der Lichtbogenfußpunkte auf den Elektroden erzielt
man statt einer im wesentlichen punktförmigen Belastung eine auf einen Kreis, also
im wesentlichen linear, verteilte Wärmebeanspruchung der Elektroden. Dadurch wird
die Lebensdauer der Elektroden zwar erhöht; in vielen Fällen jedoch, speziell bei
der Aufheizung von Luft, reicht die Lebensdauer noch nicht aus. Die Wärmebeanspruchung
der Elektroden kann auf eine größere Fläche verteilt werden, wenn man den Lichtbogen
(außer dem Rotieren) zusätzlich in Achsrichtung hin-und herbewegt. Nach der obengenannten
Druckschrift (IEEE Trans. Nuvl. Sc., 1964, S.43, linke Spalte) kann eine solche
axiale Bewegung durch Zusammenwirkung des durch das Rotieren des Lichtbogens entstehenden
Stromes und der radialen Magnetfeldkomponente der zum Rotieren des Lichtbogens verwendeten
Spule hervorgerufen werden. Da eine solche Einrichtung nur mit einer Spule arbeitet,
deren Axial- und Radialmagnetfeldkomponenten gleichzeitig ausgenutzt werden, muß
immer ein Kompromiß zwischen Kontroilierbarkeit und Geschwindigkeit der Rotation
einerseits und der Hin- und Herbewegung andererseits geschlossen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner zu schaffen,
bei dem die Rotation und die Hin- und Herbewegung des Lichtbogens auf den Elektroden
getrennt eingestellt und kontrolliert werden können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum Hin-und Herbewegen des
Bogens in Achsrichtung eine spitzengeometrische Wechselmagnetfeldkonfiguration nach
Art einer bikonischen Spitze (Wechsel-Cusp-Feld) vorhanden ist, zu deren Erzeugung
zwei untereinander und mit den Rohrelektroden achsengleiche entgegengesetzt zueinander
erregte Wechselstromspulen vorgesehen sind.
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Der Plasmabrenner mit zwei koaxialen Rohrelektroden, von denen die
eine die andere ganz umgibt, und einer Gleichstromspule zum Erzeugen des axialgerichteten
Magnetfeldes ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die Gleichstromspule um die äußere
Rohrelektrode gewickelt und zwischen den beiden Wechselstromspulen angeordnet ist.
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Wenn der Plasmabrenner zwei in einer Lichtbogenkammer axial beabstandete
Rohrelektrode enthält, ist es besonders günstig, wenn mindestens eine der Rohrelektroden
mit einer Gleichstromspule zum Erzeugen des axialgerichteten Magnetfeldes versehen
ist und je eine der beiden Wechselstromspulen an den einander abgewandten Stirnseiten
der Rohrelektroden gleichachsig zueinander und zu den Rohrelektroden angeordnet
ist.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenigstens eine der Elektroden mit
einem als Hohlzylinderring ausgebildeten Mantelkörper zu versehen, dessen der anderen
Elektrode zugewandte Stirnfläche abgerundet ist. Der Mantelkörper kann von einem
Kühlmittel zur Kühlung der Elektrode durchströmt sein und/oder die der Elektrode
zugehörige Gleichstromspule aufnehmen.
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Bei einem Teil der Plasmabrenner ist die eine Elektrode als Becherelektrode
ausgebildet, aus der der Lichtbogen unter tangentialer Gaszufuhr zur Lichtbogenkammer
in die an die Lichtbogenkammer anschließende andere Elektrode, die als Hohlzylinderelektrode
ausgebildet ist, hineinbrennt.
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An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen wird
die Erfindung näher erläutert; es zeigen F i g. 1 und 2 einen Plasmabrenner mit
koaxialen Rohrelektroden in Längs- und Querschnitt, F i g. 3 und 4 einen Plasmabrenner
mit axial verschobenen Rohrelektroden in Längs- und Querschnitt.
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In F i g. 1 sind die Elektroden mit 1 und 2 bezeichnet. Die Außenelektrode
2 umgibt die Innenelektrode 1 praktisch vollständig. Der Brennraum kann auf der
einen Seite durch die elektrisch isolierende Wand 3 abgeschlossen sein. Die Luftzuführung
erfolgt tangential durch die Öffnung 4. Die Luft wird so in den Raum 5 zwischen
den Elektroden eingeblasen, daß sie sich schraubenförmig (von rechts nach links
in F i g. 1) bewegt. Die beiden Wechselstromspulen 8 und 9 sowie die Gleichstromspule
6 können rotationssymmetrisch zur Achse 7 um die Außenelektrode 2 gelegt sein.
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Es sei angenommen, zwischen den Elektroden 1 und 2 sei ein Lichtbogen
10 gezündet (vgl. F i g. 1 und 2). Dieser Lichtbogen bildet also einen radialen
Strom i,. im Raum 5 (Zylinderkoordinatensystem: r, g', z). Auf den Strom i,. wirkt
das axiale Magnetfeld BZ (Gleichfeld der Spule 6) und übt eine Lorentz-Kraft Kqq
auf die Ladungsträger des Stromes i,. aus. Dadurch wird der Bogen in Rotation um
die Brennerachse 7 versetzt. Auf Grund unterschiedlicher Laufgeschwindigkeit auf
Anode und Kathode wird der Bogen dabei etwa zu einer Spirale mit der azimutalen
Stromkomponente igg geformt, deren Fußpunkte auf jeder der Elektroden etwa einen
Kreis bestreichen. Das allein kann jedoch allmählich zu einer Abnutzung der entsprechenden
Metallstreifen der Elektroden führen.
Dem axialen Gleichfeld BZ
wird ein radiales Wechselmagnetfeld Br hinzugefügt (s. F i g. 2). Das Feld B,. übt
auf den Strom iq eine axialgerichtete Lorentz-Kraft KZ aus, die den Lichtbogen als
Ganzes axial bewegt. Da ein Wechselfeld angewendet wird, ergibt sich also ein mit
der Frequenz des Wechselfeldes axial hin- und herbewegter Lichtbogen.
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In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Plasmabrenners mit einer
Lichtbogenkammer 31 gezeichnet, in die eine Becherelektrode 32 hineinreicht, aus
der der Lichtbogen 33 bei Betrieb unter tangentialer Gaszufuhr bei 34 zur Lichtbogenkammer
in eine an diese anschließende Hohlzylinderelektrode 35 hineinbrennt. Der Lichtbogen
kann durch die magnetische Gleichfeldspule 36 und eine eventuell gleichzeitig betriebene
Gleichfeldspule 37 zur Rotation gebracht werden. Die Spulen 36 und 37 können in
die Mantelkörper der Elektroden 35 bzw. 32 eingebaut sein. Der Lichtbogen wird durch
die Wirkung des axialen Gleichfeldes BZ der Spule 36 (und/oder 37) auf die Radialkomponente
ir in gleicher Weise zur Rotation gebracht wie bei dem Beispiel gemäß F i g. 1.
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Die Stabilisierung und Einschnürung des Lichtbogens erfolgt gemäß
F i g. 3 durch die besondere Art der Gaszuführung, die weiter oben beschrieben wurde.
Das rechte Ende 40 der Becherelektrode 32 braucht nicht geschlossen zu sein. An
der Elektrode 32 kann ein Schaft 41 angebracht sein, der zur axialen Bewegung der
Elektrode 32 vorgesehen ist. Der Schaft 41 ist dabei in der abgedichteten
Führung 42
beweglich.
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Die Wechselstromspulen 38 und 39 sind gemäß F i g. 3
axial außerhalb der Gleichstromspulenanordnungen am Gehäuse der Lichtbogenkammer
31 befestigt. Beispielsweise ist die Spule 38 innerhalb des Gehäuses und die Spule
39 außerhalb des Gehäuses 31 angeordnet. Die Spule 39 befindet sich häufig deshalb
außerhalb des Gehäuses, weil wegen der Gaszuführungsvorrichtung 34 nur wenig Platz
innerhalb des Gehäuses im Bereich der Spule 36 ist. Die Spule 39 kann aber auch
innerhalb des Gehäuses 31 angebracht sein.
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Zur axialen Bewegung des Plasmas bzw. Lichtbogens 33 wird wiederum
die Radialkomponente B, des Wechselmagnetfeldes der Spulen 38 und 39 ausgenutzt.
In F i g. 4 ist gezeigt, wie das Magnetfeld Br auf den Strom icp, der durch Rotation
des Bogens entsteht, wirkt. Durch das Zusammenwirken des Gleichstromes icp und des
Wechselfeldes BZ entsteht also wiederum eine axiale Lorentzkraft KZ, also eine axiale
Hin- und Herbewegung der Plasmafußpunkte auf den Elektroden und damit eine flächenmäßige
Wärmebeanspruchung der Elektroden. Beispiel 1 Ein Plasmabrenner gemäß F i g. 1 hatte
Kupferrohre 1 und 2 von etwa 30 cm Länge und 5 bzw. 7 cm Durchmesser. Die Wechselstromspulen
8 und 9 waren gleich. Sie enthielten ebenso wie die Gleichstromspule 6 von innen
her wassergekühlte Windungen aus Hohlprofilkupfer. Dabei hatten die Wechselstromspulen
je etwa 12 Windungen und die Gleichstromspule 40 Windungen insgesamt. Die Spulen
wurden mit etwa 1000 A und etwa 10 V betrieben. Die Frequenz des Wechselstromes
betrug etwa 1 kHz. Bei Lufterhitzung wurden etwa 100 Nm3/h (Nm3=Normal-m3) zugeführt
(bei 4 in F i g. 1). Geschwindigkeit und Temperatur (in ° K) waren am Ausgang etwa
10mal so groß wie am Eingang des Brenners. Es wurden am Ausgang Gasgeschwindigkeiten
von etwa 200 m/sec und Temperaturen von etwa 3000° K erreicht.
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Beispiel 2 Die Lichtbogenkammer 31 eines Plasmabrenners gemäß F i
g. 3 war etwa 50 cm lang und hatte einen Durchmesser von etwa 25 cm. Die Kammerwand
bestand aus aufeinanderfolgenden, von innen her wassergekühlten Kupferhohlringen
und Isolierstoffringen. Die Wechselstromspulen 38 und 39 waren etwa gleich, hatten
10 bis 15 Windungen insgesamt und wurden bei 1 kHz mit etwa 1000 A und 10 V betrieben.
Sie bestanden aus dem gleichen Material wie beim Beispiel 1. Letzteres galt auch
für die Gleichstromspulen 36 und 37. Die Spule 36 hatte jedoch etwa 40 Windungen
und war 30 cm lang, die Spule 37 hatte nur 24 Windungen und war 10 cm lang. Beide
Spulen wurden mit etwa 1000 A und 10 V betrieben. In einem Versuchsbeispiel wurden
dem Brenner gemäß F i g. 3 (bei 34) etwa 50 g Luftsec zugeführt. Ebenso wie beim
Beispiel 1 wurden Luftgeschwindigkeit und Temperatur (° K) etwa verzehnfacht.
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Der Plasmabrenner ist in allen Fällen vorteilhaft anwendbar, wo -
über mehr oder weniger lange Zeit - hohe Gastemperaturen und Geschwindigkeiten erforderlich
sind. Als Beispiel seien Windkanäle und Chemiebrenner genannt. Letztere werden zur
Durchführung von Hochtemperaturreaktionen verwendet.