DE1401854C

DE1401854C - Method for generating a high temperature flame and device for carrying out this method

Info

Publication number: DE1401854C
Application number: DE19611401854
Authority: DE
Inventors: BeIa Bndgeville Pa Karlovitz (V St A )
Original assignee: Northern Natural Gas Co , Omaha, Nebr (VStA)
Priority date: 1961-06-13
Filing date: 1961-06-13
Publication date: 1973-04-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Hochtemperaturflamme durch Zusammenführen von gasförmigem Brennstoff und Verbrennungsluft und Verbrennen des Gemisches der Brennmittel unter Einwirkung eines im wesentlichen die gesamte Flamme erfassenden elektrischen Feldes.The invention relates to a method for generating a high temperature flame by merging of gaseous fuel and combustion air and burning the mixture of fuels under the action of substantially all Flame sensing electric field.

Ein derartiges Verfahren ist aus der USA.-Patentschrift 2 766 582 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird mit einer positiven Ladung versehenes Flüssiggas in eine rohrförmige Kammer geleitet, deren Wand eine an den +-Pol einer Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode bildet und in der der Brennstoff verdampft, mit Verbrennungsluft zusammengeführt und verbrannt wird und aus der die Verbrennungsgase auf Grund elektrostatischer Abstößung mit hoher Geschwindigkeit ausströmen. Dieses Verfahren führt nicht zu einer wesentlichen Steigerung der Temperatur der Flamme.Such a method is known from US Pat. No. 2,766,582. In the known method liquid gas with a positive charge is fed into a tubular chamber, whose Wall forms an electrode connected to the + pole of a high voltage source and in which the fuel evaporated, combined with combustion air and burned and from which the combustion gases due to electrostatic repulsion flow out at high speed. This method does not lead to a substantial increase in the temperature of the flame.

Aus der Zeitschrift BWK 12 (1960) Nr. 2, S. 68 ist es ferner bekannt, in einer magnetohydrodynamischen Stromerzeugungsanlage für offenen Prozeß mit Kohlenstaubfeuerung der Luft zur Steigerung der Leitfähigkeit Metalldampf beizugeben.From the magazine BWK 12 (1960) No. 2, p. 68 it is also known in a magnetohydrodynamic Power generation plant for open process with pulverized coal combustion of the air to increase the conductivity To add metal vapor.

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 063 467 eine Schweiß- und Schneidvorrichtung bekannt, die eine koaxial um eine zentrale einen Lichtbogen erzeugende Elektrode angeordnete ringförmige Kammer aufweist, durch die beim Schweißen ein Brennmittelgemisch zugeführt wird, dessen Flamme zur Erwärmung des Werkstückes dient und die Schweißstelle vor dem Zutritt von Umgebungsluft schützt.Furthermore, from the US Pat. No. 2,063,467 a welding and cutting device is known which an annular chamber coaxially disposed about a central arc generating electrode has, through which a fuel mixture is supplied during welding, the flame of which is used for heating of the workpiece and protects the welding point from the ingress of ambient air.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, nach einem Verfahren der eingangs angegebenen Art eine Hochtemperaturflamme zu erzeugen, deren Temperatur wesentlich über der Flammentemperatur liegt, die durch die Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemisches erreichbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Flamme eine durch das elektrische Feld erzeugte diffuse Entladung überlagert wird und stromauf der Flamme Metallverbindungen mit niedrigem Ionisationspotential in das Gemisch der Brennmittel eingeleitet werden.The invention is based on the technical problem, according to a method of the type specified at the beginning Kind of producing a high temperature flame, the temperature of which is significantly higher than the flame temperature produced by burning a Fuel gas-air mixture is achievable. This object is achieved in that the A diffuse discharge generated by the electric field is superimposed on the flame and upstream of the Flame Metal compounds with low ionization potential introduced into the mixture of the fuel will.

Der hierdurch erzielbare technische Fortschritt besteht darin, daß durch die Erzeugung einer diffusen elektrischen Entladung in^; der durch ionisierende Zusätze zum Brennmittelgemisch in der Ionisierung gesteigerten Brenngasflamme eine erhöhte Energiezufuhr und damit ein erheblicher Anstieg der Flammentemperatur erreicht wird. Außerdem wird durch die Anwendung einer hohen Spannung bei niedriger Stromstärke die Ausbildung der Elektroden und der elektrischen Leitungen vereinfacht.The technical progress that can be achieved in this way is that by generating a diffuse electrical discharge in ^; the fuel gas flame, which is increased in the ionization by ionizing additives to the fuel mixture, an increased energy supply and thus a considerable increase in the flame temperature is achieved. In addition, the use of a high voltage and a low current intensity simplifies the formation of the electrodes and the electrical lines.

Eine derartige Hochtemperaturflamme läßt sich z. B. zum Schweißen, zum Schneiden oder zum Bohren von Gestein anwenden.Such a high temperature flame can be, for. B. for welding, cutting or drilling apply from rock.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit einer rohrförmigen Kammer, der Brennmittel zu_r geführt werden und deren Wand eine an einen Pol einer Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode bildet, kann in der Kammer eine zentral angeordnete, mit dem anderen Pol der Hochspannungsquelle verbundene Elektrode aufweisen. \A device for carrying out the method with a tubular chamber, the fuel is _{fed to the r} and the wall of which forms an electrode connected to one pole of a high-voltage source, can have a centrally arranged electrode in the chamber, connected to the other pole of the high-voltage source. \

Der Kammer kann stromab eine die Flamme umgebende" Induktionsspule nachgeschaltet sein. Hierdurch läßt sich die Temperatur der Flamme weiter erhöhen.An "induction coil" surrounding the flame can be connected downstream of the chamber the temperature of the flame can be increased further.

Weiterhin kann das stromauf von der Mündung der Kammer befindliche Ende der Elektrode mit einem Flammenhalter versehen sein.Furthermore, the upstream of the mouth of the chamber end of the electrode with a Flame holder be provided.

Außerdem kann die Kammer an ihrer Mündung eine düsenartige Querschnittsverengung aufweisen, wodurch ein zum Schneiden geeigneter Flammgassträhl hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. ·^; In addition, the chamber can have a nozzle-like cross-sectional constriction at its mouth, whereby a high speed flame gas jet suitable for cutting is generated. · ^;

Schließlich können in einer weiteren Ausgestaltung, bei der die Wand der Kammer keine Elektrode bildet, der Kammer stromab zwei in die Flamme hineinragende Elektroden nachgeschaltet sein.
¹ ' In derZeichnung sind'Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt ... ..-,. · ;. Finally, in a further embodiment in which the wall of the chamber does not form an electrode, two electrodes projecting into the flame can be connected downstream of the chamber.
¹ 'In the drawing, exemplary embodiments of the device according to the invention are shown, namely ... ..- ,. ·;.

F i g. 1 einen Längsschnitt durfh eine Ausführungsform, F i g. 1 shows a longitudinal section through an embodiment,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,F i g. 2 shows a section along the section line II-II in FIG Fig. 1,

F i g. 3 eine Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform, F i g. 3 a partial view of a modified embodiment,

F i g. 4 ein Spannung-Strom-Diagramm,F i g. 4 a voltage-current diagram,

F i g. 5 eine schematische Darstellung der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform in Anwendung zum Bohren von Löchern im Erdreich,F i g. 5 is a schematic representation of the FIG. 1 embodiment shown in application for drilling of holes in the ground,

F i g. 6, 7 und 9 Längsschnitte durch weitere Ausführungsformen undF i g. 6, 7 and 9 longitudinal sections through further embodiments and

F i g. 8 eine schematische Darstellung der in F i g. 7 gezeigten Ausführungsform in Anwendung auf einen Ofen zur Reduktion von Metalloxyden.F i g. 8 is a schematic representation of the FIG. 7 shown in application to a Furnace for the reduction of metal oxides.

Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 und 2 weist eine ringförmige Kammer 11 zur Zuführung eines Gemisches aus Luft und gasförmigem Brennstoff auf, die von einem eine Elektrode bildenden Gehäuse 10 umschlossen ist. Konzentrisch zum Gehäuse 10 ist eine Außenhülse 16 bzw. eine eine weitere Elektrode 12 umschließende Innenhülse 18 angeordnet, die mit dem Gehäuse 10 bzw. der Elektrode 12 ringförmige Gemischkanäle 20 bzw. 22 begrenzen, die zur Bildung ringförmiger Leitflammen 23 dienen. Die Hauptflamme weist einen Flammenkegel 24 auf, in dem sich eine Brennwelle 36 ausbildet.The device according to FIG. 1 and 2 has an annular chamber 11 for supplying a mixture of air and gaseous fuel, which are enclosed by a housing 10 forming an electrode is. An outer sleeve 16 or a further electrode 12 is concentric with the housing 10 surrounding inner sleeve 18 is arranged, which is annular with the housing 10 or the electrode 12 Limit mixture channels 20 and 22, which are used to form ring-shaped guide flames 23. The main flame has a flame cone 24 in which a focal shaft 36 is formed.

Der elektrische Stromkreis wird durch eine geerdete und mit dem Gehäuse 10 verbundene Leitung 26 und eine an die Elektrode 12 angeschlossene Leitung 28 mit einer Induktivität L und einem Widerstand R gebildet, die mit der Sekundärwicklung 30 z. B. eines Wechselstromtransformators 32 verbunden sind.The electrical circuit is formed by a grounded and connected to the housing 10 line 26 and a line 28 connected to the electrode 12 with an inductance L and a resistor R , which with the secondary winding 30 z. B. an AC transformer 32 are connected.

Die elektrische Entladung in der ionisierten Flamme vollzieht sich zunächst mit geringer Stromstärke, die mit zunehmender Temperatur und Ionisation ansteigt. Die maximale Flammentemperatur wird durch das Ionisationspotential des Brennmittelgemisches beeinflußt. Bei einem Gemisch mit ungefähr 1 °/o NO liegt diese Temperatur bei ungefähr 4000° K, bei Gemischen mit CO, CO.,, N., und H.,0 bei ungefähr 6000° K. --- ^The electrical discharge in the ionized flame initially takes place with a low current, which increases with increasing temperature and ionization. The maximum flame temperature will be influenced by the ionization potential of the fuel mixture. For a mixture of approximately 1 ° / o NO, this temperature is about 4000 ° K, in the case of mixtures with CO, CO., N., and H., 0 it is about 6000 ° K. --- ^

Die in Fig.4 dargestellte Betriebskurve 38 zeigt den Stromverlauf über der Gleichspannung. Zunächst steigt der Strom bei steigender Spannung an. In diesem. Bereich wird der Strom durch die in der Flamme anwesende Ionisation getragen. Bei weiterer Erhöhung der Spannung steigt der Strom wegen der durch Zusammenstöße erzeugten zusätzlichen Ionisation sprunghaft an. Bei noch höherer Spannung wächst der Strom wegen der thermischen Ionisation des Gases noch weiter an. Bei einem Punkt 40 hat die Spannung ihr Maximum erreicht und fällt bei ansteigendem Strom ab.The operating curve 38 shown in FIG. 4 shows the current curve over the direct voltage. Next the current increases with increasing voltage. In this. The field gets the current through in the flame present ionization carried. If the voltage is increased further, the current increases because of the Collisions created additional ionization by leaps and bounds. If the voltage is even higher, it grows Electricity continues to increase because of the thermal ionization of the gas. At point 40 the tension has reaches its maximum and falls as the current increases.

Zur Verhinderung einer Lichtbogenbildung dienen der Widerstand R und die Induktivität L. Resistance R and inductance L are used to prevent arcing.

Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 3 umschließt das Gehäuse 10 eine rohrförmige Kammer 11, durch die das Brennmittelgemisch zuströmt und an deren Austrittsende eine Flamme 13 mit einem Flammenkegel 24 entsteht. Von zwei Seiten erstrecken sich zwei an die Leitungen 26 und 28 angeschlossene Elektroden y, 15 und 17 in die Flamme 13 hinein.In the device according to FIG. 3, the housing 10 encloses a tubular chamber 11 through which the fuel mixture flows and at the outlet end of which a flame 13 with a flame cone 24 is created. Two electrodes y, 15 and 17 connected to lines 26 and 28 extend into flame 13 from two sides.

In F i g. 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, die zum Schmelzen unter der Erde vorkommender Materialien verwendet werden kann. Durch das die Elektrode 12 umgebende Gehäuse 10 wird ein Brennmittelgemisch eingeleitet. Das Gehäuse 10 und die Elektrode 12 sind mit den Leitungen 26 und 28 verbunden. Die Flamme wird durch eine ringförmige, nicht dargestellte Leitflamme stabilisiert.In Fig. Fig. 5 shows an apparatus used for melting materials found underground can be used. A fuel mixture is created through the housing 10 surrounding the electrode 12 initiated. The housing 10 and the electrode 12 are connected to the lines 26 and 28. The flame is stabilized by an annular pilot flame, not shown.

Die.mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur auf den Bohrungsboden auftreffende Flamme wird abgelenkt und bildet eine heiße, dünne Blasschicht, die über die abzuschmelzende Felsenoberfläche streicht. Das geschmolzene Material wird durch die hohe Blasgeschwindigkeit in kleine Bruchteile zerlegt, die durch einen Hilfsluftstrom an die Oberfläche befördert werden, der aus bodennahen öffnungen 46 im Bohrrohr 44 austritt.Die.with high speed and high temperature Flame hitting the bottom of the hole is deflected and forms a hot, thin layer of blown which strokes the rock surface to be melted. The melted material is through the high blowing speed is broken down into small fractions, which are brought to the surface by an auxiliary air stream are conveyed, which emerges from openings 46 near the bottom in the drill pipe 44.

Zum Bohren von Felsen ist die Vorrichtung gemäß F i g. 6 der in F i g. 5 dargestellten infolge höherer Flammgasgeschwindigkeit überlegen. Die Leitungen 28 und 26 sind mit der Elektrode 12 und dem Gehäuse 10 verbunden. Die Elektrode 12 ist hohl und enthält einen isolierten, durch die gestrichelte Linie 28 b angedeuteten, koaxialen Leiter und weist einen scheibenförmigen Flammenhalter 48 auf. Ein mit Flüssigkeit gefüllter Kühlmantel 52 umgibt die Kammer 11 in Nähe der Mündung 50. Durch den Flammenhalter 48 wird der Flammenkegel 24 stabilisiert. Die Geschwindigkeit der austretenden Flammgase kann sich infolge des konstanten Innendurchmessers des Gehäuses 10 der Schallgeschwindigkeit annähern.For drilling rocks, the device according to FIG. 6 of the in F i g. 5 shown superior due to higher flame gas velocity. The lines 28 and 26 are connected to the electrode 12 and the housing 10. The electrode 12 is hollow and contains an insulated coaxial conductor indicated by the dashed line 28 b and has a disk-shaped flame holder 48. A cooling jacket 52 filled with liquid surrounds the chamber 11 in the vicinity of the mouth 50. The flame cone 24 is stabilized by the flame holder 48. The speed of the escaping flame gases can approach the speed of sound due to the constant internal diameter of the housing 10.

Wie in F i g. 7 dargestellt, kann zur Steigerung der Flammentemperatur der Vorrichtung gemäß F i g. 1 stromab eine die Flamme umgebende Induktionsspule 58 nachgeschaltet sein, die durch eine Hochfrequenzquelle mit einer Frequenz von beispielsweise 10 000 Hz gespeist wird.As in Fig. 7 can be used to increase the flame temperature of the device according to FIG. 1 downstream of an induction coil 58 surrounding the flame, which is provided by a high-frequency source is fed at a frequency of, for example, 10,000 Hz.

Der Ofen zur Reduktion von Metalloxyden gemäß F i g. 8 besteht aus einem metallischen Außenmantel 60, der mit hitzebeständigem Material 62 ausgekleidet und von Kühlschlangen 64 umgeben ist: Der Ofen ist in eine Reduktionskammer 66, einen Beruhigungsraum 68 und einen Gasauslaß 70 aufgeteilt. Die Reduktionskammer 66 und der Gasauslaß 70 befinden sich im Oberteil des Ofens. Am Einlaß der Reduktionskammer 66 ist eine Vorrichtung ähnlich der nach F i g. 1 vorgesehen. Das eingespeiste Brennmittelgemisch ist so gewählt, daß die Verbrennungsprodukte der Reduktionsflamme einen hohen Kohlenoxyd- oder Wasserstoffanteil enthalten. Das in der Flamme zu reduzierende . Metalloxid wird die Flamme durch einen Gasstrom in Form feinen Puders zugeführt. Wenn Kohlenstoff erforderlich ist, kann dieser auch mit dem Gasstrom oder einem getrennten, die Flamme einhüllenden Gasstrom zugeführt werden.The furnace for reducing metal oxides according to FIG. 8 consists of a metallic outer jacket 60, which is lined with heat-resistant material 62 and surrounded by cooling coils 64: the furnace is divided into a reduction chamber 66, a calming chamber 68 and a gas outlet 70. The reduction chamber 66 and the gas outlet 70 are in the top of the furnace. At the inlet of the reduction chamber 66 is a device similar to that of FIG. 1 provided. The fuel mixture fed in is chosen so that the combustion products of the reduction flame have a high carbon or contain hydrogen. That to be reduced in the flame. Metal oxide becomes the flame supplied by a gas stream in the form of fine powder. If carbon is required, can this is also supplied with the gas flow or a separate gas flow enveloping the flame will.

Die heiße Flamme schmilzt und verdampft das pulverisierte Metalloxyd, und dieses Oxyd wird zu Metall reduziert, wenn es sich in der Gasphase befindet. Die Metalldämpfe zusammen mit anderen Verbrennungsprodukten treten dann in den Beruhigungsraum 68 ein, in dem die Metalldämpfe kondensieren. Das geschmolzene Metall wird durch einen Stichkanal 72 abgeleitet. The hot flame melts and vaporizes the powdered metal oxide, and this oxide becomes metal reduced when it is in the gas phase. The metal vapors, along with other products of combustion, then enter the calming space 68 one in which the metal vapors condense. The molten metal is diverted through a branch channel 72.

Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 9 weist die Kammer 11 eine düsenartige Querschnittsverengung 72 auf. In dem zwischen dem Ende der Elektrode 12 und der Querschnittsverengung 72 sich erstreckenden Teil der Kammer 11 verbrennt im wesentlichen das gesamte Brennstoffgemisch. Im allgemeinen beträgt der Abstand zwischen der Elektrode 12 und der düsenartigen Querschnittsverengung 72 etwa das Doppelte des Durchmessers des Gehäuses 10.In the device according to FIG. 9, the chamber 11 has a nozzle-like cross-sectional constriction 72 on. In the part extending between the end of the electrode 12 and the cross-sectional constriction 72 the chamber 11 burns substantially all of the fuel mixture. In general, the The distance between the electrode 12 and the nozzle-like cross-sectional constriction 72 is approximately twice that the diameter of the housing 10.

Am Ende der Elektrode 12 wird eine Flamme mit einer durch die Linie 66 dargestellten Flammenform gebildet. Die Entladung vollzieht sich längs der Wellenlinie 68.At the end of the electrode 12, a flame having a flame shape shown by line 66 is formed. The discharge takes place along the wavy line 68.

Der Auslaß 70 des Gehäuses 10 ist von einem mit Flüssigkeit gefüllten Kühlmantel 52 umgeben.The outlet 70 of the housing 10 is surrounded by a cooling jacket 52 filled with liquid.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for generating a high temperature flame by merging gaseous Fuel and combustion air and burning the mixture of fuel under Effect of an electric field covering essentially the entire flame, thereby characterized in that a diffuse discharge generated by the electric field is superimposed on the flame and upstream of the Flame metal compounds with low ionization potential in the mixture of fuel be initiated.

2. Device for carrying out the method according to claim 1 with a tubular chamber to which fuel is supplied and the wall of which forms an electrode connected to a pole of a high-voltage source, thereby characterized in that the chamber (11) has a centrally arranged, with the other pole of the Having high voltage source connected electrode (12).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the chamber (11) downstream a the induction coil (58) surrounding the flame is connected downstream.

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the upstream of the mouth the end of the electrode (12) located in the chamber (11) is provided with a flame holder (48).

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the chamber (U) at its mouth has a nozzle-like cross-sectional constriction (72).

6. Apparatus according to claim 2, wherein the wall of the chamber does not form an electrode, thereby characterized in that the chamber (11) has two electrodes projecting into the flame downstream (15,17) are connected downstream.