DE1540986A1

DE1540986A1 - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung

Info

Publication number: DE1540986A1
Application number: DE19651540986
Authority: DE
Inventors: Bela Karlovitz
Original assignee: Northern Natural Gas Co
Current assignee: Northern Natural Gas Co
Priority date: 1964-10-27
Filing date: 1965-09-14
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1112612A; BE669646A; CH444096A; US3373306A

Description

Dr.-lnc. HANS RUSCHKE i%#-r%*~*»w OtUW HElMZ AQULAR

.Northern Natural Gas Company, Omaha/ Nebraska, Y.St.A,

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen

einer elektrischen Entladung

In der amerikanischen Patentschrift Jfr. 3 004 137 wird Ton der Anmelderin «ine elektrisch verstärkte flamme beschrieben, wobei ein· elektrische Entladung in einer durch chemische Verbrennung erzeugten flamme verteilt wird,und wobei die aus der elektrischen Energie abgeleitete Hitze der bei der chemischen Verbrennung erzeugten Hitze hinzugefügt wird. Bei der elektrischen Entladung wird eine hohe Spannung und ein achwaeher Strom verwendet im Gegensatz zu einem elektrischen· lichtbogen, bei dem eine niedrige Spannung und ein starker Strom verwendet wird, der zu einem schmalen Stromfaden zwischen zwei Elektroden konzentriert wird*

209i1S/ail3

1SAO986

Uiie solche elektrisch verstärkte flamme führt zu : verwertbaren Ergebnissen. Beispielsweise werden Schwierig-

j keiten bei der Versorgung mit elektrischer Leistung verringert, da große Leistungen bei geeigneten hohen Span-

ί nungen zugeführt werden können. Da verhältnismäßig schwache

: Ströme verwendet werden, so wird die Konstruktion und die Wartung von Elektroden sehr vereinfacht, und weiterhin wird in der gesamten Flamme eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur aufrecht erhalten. Sehr widhtig ist auch, daß mit gewöhnlichen Brennstoffen Temperaturen erzielt werden können, die sonst nur mit teuren Brennstoffen er-

: halten werden können.

Mit dem Ausdruck "verteilte Entladung" soll eine Art ron

elektrischer Hochleistungsentladung bezeichnet werden, die ; !■ Gegensatz steht zu dem elektrischen Lichtbogen. Der elek-■ trieche Lichtbogen sucht sich auf einen engen Kanal zusammen-

Susieben, in dsm dia Gastemperatur und infolgedessen die :

elektrische Leitfähigkeit sehr groß ist.

Bei der "verteilten Entladung" wird eine Konzentration

ί ; des Entladungsstromes auf einen engen Kanal durch eine Yorionisierung und Erzeugung einer starken Turbulenz verhindert. Der Entladungsetrom wird über die zu erhitzende Gasströmung verteilt mit dar folge, daß die Gasströmung ■ehr oder weniger gleichmäßig erhitzt wird.

. 20&«tS/0113 BADORfGlNAL

B«i der Anwendung einer elektrischen Int ladung auf eine ohemlsche flamae ist es erwünscht, diese iu voriionisieren, im die Ionen-llektronen-Konzentratlon in der flamme zu erhöhen oder su regulieren, Wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Flaume erhöht oder reguliert wird. Dies erfolgt zwecke Stabilisierung der YoIt/Ampere-Charakteristik der elektrischen Entladung und kann auch benutzt werden, um elektrische Entladungen durch flammen hindurch einzuleiten, die TerhältnismäSig niedrige Temperaturen aufweisen. Nach einem in der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 004 137 offenbarten Verfahren für eine Vorionisierung werden dem explosiven Gemisch Tor der flamme Salee oder Metalle mit niedrigen Ionisierung·Potentialen sugeeetzt. Obwohl auf diese Weise £1· gswünsehte Vorionisierung erreicht werden kann, so können jedoch große Mengen τοπ Zusatzstoffen erforderlich werden wegen der Ionen—Elektronen-Konxentration in der flamme, die sieh nur proportional der Quadratwurzel der Konsentration des ionisierenden Zusatzes erhöht und sehr stark ron der flammentemperatur abhängig ist.

Ss wurde herausgefunden,'daß eine wirksamere Vorionisierung erreicht werden kann, wenn der ionisierende Zusatz in eine sehr heiße Gaszone eingeführt wird, und wenn die dort gebildeten Ionen und Elektronen aus dieser Zone in einer Gasströmung "verteilt werden. ·

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BAD ORIGINAL

1S40886

Die Oas- oder Zündzone umfaßt ein mit heißem Gaβ gefülltes Tolueen, das entweder τοη wieder in Umlauf befindlichen Wirbeln gebildet wird oder durch Brennen eines gesonderten Zündbezirkes, der die rerbrennbare Strömung beständig zündet, und von dem aus die Flamme sich über die gesamte brennbare Strömung ausbreitet. Pie Zündzone kann auch τοη einer elektrischen Lichtbogenentladung zwischen Elektroden gebildet werden, die in der Zone angeordnet sind. Der in bezug auf die Temperatur des Zündbezirkea gebrauchte Ausdruck "heiß" soll eine Temperatur τοη 3000 K oder höher bedeuten.

Sine solche heile Zündsone kann auf Terschiedene Weise geschaffen werden« Z. B. kann am TuS der Hauptflamme eine Zündflamme aufrecht erhalten und in diese ein ionisierender Zusatz eingeführt werden. Andererseits kann auch der ionisierende Zusatz in 'en Zündbezirk durch Verdampfung -«on einer mit einer Zündzone in Kontakt stehenden Elektrode eingeführt werden. Die Elektrode kann nit einem Metallsalz imprägniert werden oder dieses als Bestandteil enthalten, welches Metallsalz ein niedriges lonisierungspotential aufweist, oder die

Elektrode kann einen aus dem Metalls^lz bestehenden Kern aufweisen. Andererseits kann die Elektrode auch aus einem : Metall mit einem niedrigen lonisierungspotential hergestellt _: werden und wird verbraucht, während die J¹Iamme in Betrieb ist.¹

BAD OFUGlNAt. 209815/ΟΊ13

1140986

Nachstehend «erden gewisse, gegenwärtig berorzugte AusfUhrungsformen der Erfindung beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die Fig. 1 ein Ausschnitt aus einen Längsschnitt durch einen Brenner sowie ein Schaltbild der elektrischen Stromversorgung für dien Brenner,

Fig. 2 ein Querschnitt nach der Linie 2-2 in der Fig* 1,

Fig. 3 ein Querschnitt nach der Linie 3-3 in der Fig. 4, die eine andere Ausführung des Brenners zeigt,

Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie 4-4 in der Fig. 3,

Fig. 5 ein Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine weitere under· Ausführung des Brenners,

Fig. 6 ein Schnitt nach der Linie 6-6 in der Fig. 5» ' Fig. 7 eine graphische Darstellung, in der der Prozentsatz ι

i der ionisierten Pottasche-Atome in bezug auf die ' j

Temperatur in Kelvingraden eingetragen ist, '

Fig. 8 ein Ausschnitt aus eiher echaubildlichen Darstellung ι eines Brenners, indem eineöasströaung ohne chemisohe erhitzt wird, und die

Fig. 9 ein Schnitt naoh der Linie 9-9 in der Fig. 8.

Der in der Fig. 1 dargestellte Brenner nach der Erfindung weist ein Rohr 9 aus einem feuerfesten Material mit einer

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kreiarunden Metallelektrode 10 am Außenende und mit einer zweiten Elektrode 11 auf, die im Rohr 9 konzentrisch zu diesem an dem von der Elektrode 10 entfernten Ende des Rohres angeordnet ist. Im Rohr 9 ist ein zweites Rohr 12 konzentrisch zur Elektrode 11 und zum Rohr 9 angeordnet. Der Brenner weist daher zwei ringförmige Kanäle für die Strömung eines explosiven Gemisches auf, und zwar befindet sich der erste Kanal zwischen den Rohren 9 und 12 und der zweite Kanal zwischen der Elektrode 11 und dem Rohr 12.

Die elektrische Schaltung umfaßt einen hochspannenden Transformator 13, der von einer nicht dargestellten Stromquelle versorgt wird, und der so angeschlossen ist, daß an die Elektroden 10 und 11 eine Spannung angelegt wird. Es ist eine aus einem Wideretand R .und einer diesem nachgeschalteten Induktanz L bestehende Belastung vorgesehen, die ein Arbeiten auf dem abfallenden Teil der Yolk- Ampere-Charakteristik der Entladung ermöglicht. An die Elektrode 11 und das Rohr 12 ist eine zweit· elektrische Spannungsquelle angeschlossen, aus der der Eieketro· de 11 und dem Rohr 12 eine eltrische Spannung zugeführt wird. Zu diesem Zweck kann sowohl eine Gleichstrom- als auch eine Wechselstromquelle benutzt werden.

Zum Betreiben des Brenners wird zwischen den Rohren 9 und 12 ein verbrennbares Gemisch zugeführt und eine Flamme

BAD ORIGINAL 209815/0113

entzündet, wobei die Elektrode 11 als Flammenhalter wirkt. An die Elektroden 10 und 11 wird eine verhältnismäßig hoehe Spannung angelegt. Wie später noch beschrieben wird, wird in die heiße Zündzone eine ionisierende Zusatzsubstans eingeführt, und es wird eine wesentliche elektrische Entladung gleichmäßig über die kegelförmige Flamme verteilt, die sich zwischen den Elektroden 10 und 11 erstreckt und durch die Linie 15 angedeutet ist.

Der zwischen der Elektrode 11 und dem Rohr 12 gelegene Teil der -Flamme wird für die Zündzone benutzt, in die die ionisierende Zusatzsubstanz eingeführt wird, und in der die Ionisierung erfolgt. Die Ionisierung breitet sich von der Zündzone aus über die ganze Flamme aus. Das Volumen der Zündzone zwischen der Elektrode 11 und dem Rohr 12 ist klein, weshalb die Stromdichte in diesem Bezirk verhältnismäßig groß bemessen werden kann, so daß die Temperatur hoch ist " und in der Größenordnung von 3000 bis 4000 ⁰K liegt.

Andererseits kann der Zündbezirk auf einer hohen Temperatur gehalten werden durch Brennen einer heißen chemischen Flamme;, z.B. einer Oxyazetyleuflamme im Rohr 12 am Ende der -Elektrode 11. Die Temperatur kann auch aufrecht erhalten werden durch einen elektrischen Lichtbogen oder durch Wie derimumlaufsetzen einer Flamme mit Hilfe eines Flainmenhalters, welche

im :r^-

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-θ-

Flamme durch eine elektrische Hilfsentladung von der Quelle H aus erhitzt werden kann oder durch den Strom aus der elektrischen Hauptentladung zwischen den Elektroden 10 und 11.

PUr die Versorgung des Zündbezirkes mit der ionisierenden Zusatzsubstanz gibt es zhalreiche Möglichkeiten. Z.B. wird eine ionisierende Zusatzsubstanz, z.B. ein Metallsalz in einer nicht dargestellten Einrichtung verdampft, dem Kanal ψ zwischen der Elektrode 11 und dem Rohr 12 zugeführt und in die Zündzone der Flamme geleitet. Da in dieser Zone eine hohe Temperatur aufrecht erhalten wird, so wird eine hohe Ionen-

14 Elektronen-Konzentration (in der Größenordnung von 10 pro cm ) erzeugt.

Die Zündzone und die starke Ionenkonzentration erstreckt sich in den heißen Kern der Flamme hinein, die durch die welligen Linien 16 dargeetellt ist, breitet sich vom Kern aus und führt die Ionen-Elektronen-Konzentration zu, die für r den Betrieb der Hauptflamme gewünscht wird. In dem stromab von dieser Zone gelegenen Bezirk kann die Ionen-Elektronen-Konzentration die Gleichgewichtskonzentretion übersteigen! jedoch ist das Ausmaß der Rekombination für atomische Metallionen genügend niedrig, so daß der Verlust von Ionen und Elektronen durch eine Rekombination nicht wesentlich ist.

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Die Figuren 3 bis 6 zeigen andere Verfahren und andere Einrichtungen zum Beeinflussen der Ionen-Elektronen-Konzentration in einer Flamme. Wie bei dem zuvor beschriebenen Brenner wird am Fuß der Flamme ein Zündbezirk; erzeugt, in dem die Ionisierung stark: konzentriert wird.

Bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Brenner erstrecken sich drei Elektroden 17 längs der Achse des Rohres 9 und sind über die Leiter 18 an eine nicht dargestellte DreiphasenwechselBtromquelle angeschlossen. Die drei Elektroden wirken wie die Innenelektrode 11 bei der Ausführungsform nach der Fig. 1, und in das Rohr 9 wird ein explosives Gemisch geleitet und zwischen den drei Elektroden und der Außenelektrode 1o wird eine durch die Linien 19 dargestellte Flamme erzeugt, wobei die drei Elektroden als Flammenhalter wirken. Diese Elektroden können einen Überzug aus einem metallischen SaIa tragen, sie können porös und mit einem metallischen Salz imprägniert sein, oder eie können Kerne aus einem metallischen Salz aufweisen. Den drei Elektroden wird beständig eine Eingangsleistung zugeführt, wobei die ionisierende Zusatzsubstanz verdampft und der heißen durch die Linie 19a dargestellte Zündzone zugeführt wird.

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Bei dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Bremmer ist •ine Mittelelektrode 20 vorgesehen, die im Rohr 9 konzentrisch zu diesem angeordnet ist und von einem gesonderten Rohr 21 umgeben ist, dessen Innendurchmesser so bemessen ist, daß zwischen der Elektrode 20 und dem Rohr 21 ein kleiner ringförmiger Raum 22 gebildet wird. Zwischen der Elektrode 20 und dem Rohr 21 wird eine durch die Linien dargestellte Flamme erzeugt, und in der ^lamme wird eine

ψ verteilte elektrische Entladung erzeugt in derselben Weise, wie bei den anderen Brennern beschrieben. Die Elektrode und das Rohr 21 dind an eine gesonderte elektrische Stromquelle 14 angeschlossen und werden mit einer Spannung am ringförmigen Raum versorgt. Dem ringförmigen Raum 22 wird eine ionisierende Zusatziubstanz zugeführt, die durch eine elektrische Entladung swisihen der Elektrode 20 und dem Rohr 21 erhitzt wird, wobei die Temperatur so erhöht wird, daß der erforderliche Grad der Ionisierung erzielt wird. Anderer seits kann entweder die Elektrode 20 oder das Rohr 21 mit einem Überzug aus einem metallischen Salz versehen werden, sie können mit einem solchen Salz Imprägniert werden, oder die Elektrode 20 kann einen "-ern aus einem metallischen Salz aufweisen. Die Hitze der elektrischen Entladung zwischen diesen beiden Gliedern verdampft das Salz und führt dieses der Zündzone zu.

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■ . ■ -11-

Bei einer anderen Ausführung dee Brenners kann die Innenelektrode massiv sein und aus einem Material mit einem niedrigen Ionisierungspotential bestehen (z.B. aus Aluminium), welche Elektrode erhitzt wird und langsam verbrennt^ Während die Flamme betrieben wird. Das aus der massiven Elektrode verdampfte Metall bildet die ionisierende Zusatzsubstanz.

Bei den beschriebenen Brennern kann das Ausmaß der in der Flamme gewünschten Ionisierung nach Belieben bestimmt und in engen Orenzen kontrolliert werden einfach durch Regulieren der Temperatur der Zündzone. Die Bedeutung der Wirkung der Temperatur der Zündzone ist in der Fig. 7 dargestellt, die in Form einer graphischen Darstellung den Prozentsatz der Ionisierung (I) der ionisierenden Zusatzsubstanz in bezug auf die Temperatur in Kelvingraden zeigt. In dieser Figur stellt die Vollinie den Prozentsatz der Ionisierung in bezug auf die Temperatur dar, wenn die Konzentration der Pottasche-Atome (N,) 10 pro Kubikzentimeter beträgt, während die unterbrochene Linie den Prozentsatz der Ionisierung darstellt, wenn die Konzentration der Bttasche-Atome (Ή^) 10 /cm beträgt. Aus der Fig. 7 geht hervor, daß bei einer Erhöhung der Konzentration der Pott-

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aseheatome um 10 die.Elektronenkonzentration sich um 10 erhöhti jedoch verschiebt sich die Annäherung an die vollständige Ionisierung auf höhere Temperaturen.

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Andererseits zeigt die Iig. 7, daß oberhalb von ungefähr 270O⁰K die Steilheit der Kurve (d.h. die Verstärkung der Ionisierung mit der Temperatur) abnimmt, weahalb die Tendenz der elektrischen Entladung, einen Lichtbogen zu bilden, eich vermindert, und daß der Grad der Ionisierung sich dem Wert Eins annähert. Mit anderen Worten, bei einer Erhöhung der Temperatur der Zündzone vermindert sich das Ausmaß der Verstärkung der Ionisierung mit der Temperatur, während die Ionisierung sich verstärkt. Hierbei wird eine Kontrolle der Ionisierung zwecks Verhinderung einer Lichtbogenbildung erzielt und zugleich das Ausmaß der Ionisierung für eine verteilte Entladung erhalten.

Durch die Kontrolle dea Grades der Ionisierung wird in der Folge die elektrische Leitfähigkeit der ^J'lamme kontrolliert, wobei die Temperatur und daa Arbeiten der ^lamme kontrolliert werden kann. Die Bedeutung dtr leichten und •infachen Kontrolle der elektrischen Leitfähigkeit einer Flamme kann ferner mathematisch in bezug auf die Bedingungen demonstriert werden, die für die anfängliche Einwirkung einer elektrischen Entladung auf eine ^lamme erforderlich sind, die durch eine chemische Verbrennung erzeugt wird. Wie in der amerikanischen Patentschrift 3 004 137 beschrieben ist, besteht ein wesentliches Merkmal einer elektrisch

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verstärkten Flamme darin, daß die Entladung über das ganze Flammenvolumen verteilt wird. Diese Verteilung erfolgt auf Grund der turbulenten Bewegung und der elektrischen Leitfähigkeit ier Flammengase. Die Verteilung der elektrischen Entladung-über die Flamme erfordert, daß die dimensionslose Größe

_Ώ _ ( d Ne .) (1 ) ■( 0,24 g Ke ) _V2 ^Γ - ( dF~ ) (IT) ( cp ο ) ^E

kleiner als ein kritischer Wert ist, der in der Größenordnung von Eins liegt. Hierbei ist

e	T	e	die Konzentration freier Elektronen	1 /cm
1	^CP	die Gastemperatur	⁰K "
U¹		Maßstab der Turbulenz	cm
ί	E	Intensität der Turbulenz	cm/sec
Elementarladung 1,59.10"¹^	Coulomb
Elektronenbeweglichkeit	cm/sec Volt/Om
spezifische Hitze der Flammengase	cal/g°K
Dichte der Flammengase	g/cm
Gefälle der angelegten Spannung	Volt/cm

Bei der elektrisch verstärkten Flamme ist der auf die Flamme einwirkende Spannungsgradient verhältnismäßig hoch; wird jedoch bei der Flamme eine zu hohe Spannung wirksam,

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-u-

βο bricht die Entladung zusammen und es bildet sich ein lichtbogen. Es ist offensichtlich erwünscht, den Spannungsgradienten so· nahe wie möglich am jedoch unterhalb des kritischen Spannungsgradienten zu halten, bei dem sich ein Lichtbogen bildet. Aus der obenstehenden Gleichsieht hervor, daß eine Verteilung erreicht werden kann, wenn der Spannungsgradient unterhalb des kritischen Wertes gehalten wird. Zu Beginn der Einwirkung der elektrischen Energie auf eine Flamme soll jedoch in der Flamme eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit vorhanden sein, so daß bei einem unterhalb des kritischen Wertes liegenden Spannungsgradienten eine wesentliche Eingangsleistung vorliegen kann. Die erforderliche elektrische Leitfähigkeit der Flamme wird durch das nachstehende Kriterion bestimmt!

wobei Δ T die Erhöhung der Plammentemperatur o_R auf Grund der elektrischen Eingangsleistung

e die Elektronenkonzentration 1/cm

ohne Entladung

U die Strömungsgeschwindigkeit cm/sec

des verbrannten Gases

und L die Flammenlänge cm

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Die Anfangsmerkmale einer Flamme können daher kontrolliert werden durch die Ionen-Elektronen-Konzentration vor der Einwirkung einer elektrischen Entladung und durch die Änderung dieser Konzentration mit der Temperatur. Eine Kontrolle kann ferner auch erreicht werden durch Verändern der Geschwindigkeit der Gasströmung, der Flammenlänge oder der Temperatur! Jedoch können diese Änderungen zu Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Brennern für besondere Verwendungzwecke führen. Jedoch kann die Ionen-Elektronen-Konzentration und die Änderung dieser Konzentration mit der Temperatur unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden.

Die Anwendung der zweiten Formel auf einen angenommenen Brennerbetrieb beweist den Wert des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung bei der Erzeugung einer elektrisch verstärkten Flamme. Hierbei werden die nachstehenden. Betriebsbedingungen vorausgesetzts

Flammenlänge	I ■	5 cm
Strömungsgeschwindigkeit	u »	10 cm/sec
charakteristische Zeit der Turbulenz	l/u	-» - 10"⁴ se
Flammentemperatur	T >	2000 ⁰K
In der Flamme vorhandene	10¹	Atome/cm

Pottascheatome

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dann wird

N. - 0,18 χ 10¹² 1/cm*

dNe »0,158 χ 10¹⁰ 1/cm³ /⁰K dT~

und wenn der gewünschte Temperaturanstieg (^ T) 1000⁰K ist, dann wird

Δ T ( dNe ) 1 U « 1,75 < 1 Ne ( ~dT ) u¹ I

Die kritische Bedingung ist damit nicht erfüllt, und die gegebene Ausgestaltung ist daher für die Anwendung einer elektrischen Leistung bei der Flamme nicht geeignet.

Wie bereits bemerkt, können die Bedingungen geändert werden durch Veränderung der Parameter wie die Flarnmenlänge, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur? jedoch machen solche Änderungen die Flamme für den beabsichtigten besonderen Verwendungszweck mgpeignet, wohingegen durch Verändern der Ionisierung in der Flamme nach der Erfindung die Flamme leicht in Betrieb gesetzt und die anderen Erfordernisse der Ausgestaltung erfüllt werden kann (können).

Es sei daher eine Flamme angenommen, die dieselben Parameter aufweist, wie oben angegeben, und der Ionen und Elektronen aus einer heißen Zündzone in Mengen zugeführt werden, die , das thermische Gleichgewicht der Ionen—Elektronen-Konzentration überschreiten. Erreicht die loran—rälektronen-Konsen-

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-17-

trat ion einen Wert von 1O¹- -^—3 , dann wird

cm

. ' . N_e « 10¹³ .1/om^a

dNe » 10¹⁰
IT"

T (dNe ) 1 U ' ' s . Ni ("If- ) ü· L " °»²;< !

Die kritische Bedingung ist damit erfüllt, und die Flamme weist eine elektrische Leitfähigkeit auf, die zum Einleiten einer über die Flair;me verteilten elektrischen Entladung ausreicht. Die anderen Parameter, die für ein bestimmtes Verwendungsgebiet erwünscht sein können, wie die Flammenlänge, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur blieben in dem obenstehenden Beispiel unverändert.

Wie bereits bemerkt., ist es für den Betrieb einer elektrisch verstärkten Flamme erwünscht, die Elektronenkonzentration auf einem hohen Wert zu halten und die Änderung dieser Konzentration mit eier Temperatur so gering wie möglich zu halten. Es ist daher ein wichtiges Merkmal der Erfindung, daß mit Hilfe des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung eine hohe Elektronenkonzentration erhalten werden kann, die unabhängig ist von den Merkmalen der durch eine chemische Verbrennung erzeugten Flamme. Tatsächlich kann die Erfindung In Fällen angewendet werden An denen der Beitrag an Wärme von der Flamme unbedeutend oder nicht

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vorhanden ist, und wenn eine Strömung von Gasen allein durch eine verteilte elektrische Entladung erhitzt werden soll. Nach der Erfindung wird die verteilte elektrische Entladung in einer turbulenten Gasströmung aufrechterhalten, und die Gasströmung wird durch diese elektrische Entladung erhitzt. Hierbei werden wichtige Vorteile gegenüber einer-Erhitzung der Strömung durch einen elektrischen Lichtbogen erzielt. Bei derselben elektrischen Eingangaleistung ermöglicht die Erfindung die Verwendung hoher Spannungen und schwacher Ströme im Gegensatz zu einer Lichtbogenentladung, wodurch die Schwierigkeiten bei der Ausgestaltung und der Wartung der Elektroden verringert werden. Es erfolgt ferner eine gleichmäßigere Verteilung der Hitze als Folge der elektrischen Eingangsleistung in der Gasströmung. Es ist ferner möglich, Gasströme zu erhitzen, deren chemische Zusammensetzung eine Vermischung mit den Verbrennungsprodukten verbietet, wenn ein gewünschtes Endprodukt erhalten werden soll.

Die Figuren 8 und 9 zeigen einen Brenner, in dem Gasströme ohne eine von einer chemischen Verbrennung erzeugten Flamme erhitzt werden. Der Brenner weist ein Rohr 24 auf, durch das die zu erhitzende Gasströmung hindurchgeleitet wird, wie durch die Pfeile In der Fig. 8 angedeutet. Um das Hohr herum sind In gleichen Abständen drei Elektroden 25 angeordnet, die an

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eine nicht dargestellte Dreiphasenwechselstromquelle angeschlossen sind, welche Stromquelle die elektrische ■ ■Energie abgibt, die zum Erzeugen einer verteilten elektrischen Entladung in der Gasströmung erforderlich ist, die erhitzt werden soll.

Die Elektroden25 werden von dem Rohr durch die Isolatoren 26 isoliert gehalten, die ferner die Strahldüsen 27 tragen, aus denen das Gas in Richtung zur axialen Mitte des Rohres ausströmt.

Die Elektroden sind von Metallgehäusen 28 umgeben, die von den Isolatoren 29 von den Elektroden ieoliert gehalten werden. Aus einer elektrischen Spannungsquelle 50 wird eine Spannung in der Größenordnung von einigen hundert Volt zugeführt, die ausreicht, um zwischen den Elektroden 25 und den Gehäusen 28 Lichtbogen aufrecht zu erhalten. Andererseits können auch in jedem Gehäuse zwei oder mehr Elektroden vorgesehen werden, zwischen denen elektrische Entladungen aufrecht erhalten werden.

Die Gehäuse 28 weia*en ferner Einlasse 31 auf, durch die in die Gehäuse ein Hochdruckgas eingelassen wird. Dieses Gas weist in den Gehäusen eine wirbelnde Bewegung auf und prallt in kaltem Zustande auf die Innenwandungen auf, wodurch die Gehäusewandungen gegen die Hitze der Lichtbogen-

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entladungen zwischen den Elektroden und den Gehäusen isoliert werden.

An den Einlassen 31 werden in die Hochdruckgasströme ionisierende Zusatzsubstanzen eingeführt. Z.B. kann Pottaschechlorid durch eine nicht dargestellte Einrichtung verdampft und den Einlassen 31 zugeführt werden.

. Die Massenströmungsgeschwindigkeit des in die Gehäuse 28 einströmenden Hochdruckgases beträgt nur einige Prozent der zu erhitzenden und durch die &ohre 24 strömenden Gasströmung, reicht jedoch aus, um die Gehäuse 28 zu kühlen und Gasströme zu erzeugen, die aus den Düsen 27 mit genügender Geschwindigkeit ausströmen, um in der durch die Rohre 24 strömenden Hauptetrömung einen hohen Grad von Turbulenz- erzeugen zu können, ^ie Turbulent muß so stark sein, daß das Bestehen einer verteilten Entladung längs der turbulenten Strömungen gesichert wird.

Die Lichtbogen zwischen den Elektroden 25und den Gehäusen 28 weisen eine solche Intensität auf, daß die die ionisierenden Zusätze mitführenden Hochdruckgasströmungen in den Gehäusen auf die Temperatur erhitzt werden, die zu einer ausreichenden Ionisierung der Ströme erforderlich ist, um in der Hauptgasströmung im Rohr 24 eine verteilte elektrische Entladung aufrecht zu erhalten. Die aus den Düsen 27

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aus tretend en Ströme stoßen aufeinander und achliei3en den elektrischen Stromkreis von einen Strom zum anderen.

Die an die Elektroden 25 angeschlossene Dreiphasenstromquelle liefert die elektrische leistung für diese Entladung. Die von dieser Stromquelle zugeführte Spannung kann in der Größenordnung von mehreren !tausend Volt liegenj der Strom ist jedoch verhältnismäßig schwach, so daß die Hauptgasströmung mit einer großen elektrischen leistung versorgt werden kann, ohne daß bei den Elektroden die Schwierigkeiten auftreten, die normalerweise mit eolchen Energiewerten verbunden sind. Ee erfolgt eine gleichmäßige Verteilung der Hitze in der Haupt strömung, und die Grasströme können für die Zwecke von Reaktionen erhitzt werden» bei denen die normalen Verbrtnnungeprodukte nicht zulässig sind.

Elektrisch verstärkte, heiße und hochgeschwinde turbulente Strömungen eignen eJ^ch besondere gut für die Durchführungvon Verfahren. Solche Strömungen erzeugen eine hochintensive Turbulenz von charakteristischer kurzer Dauer, wie für die Verteilung einer leistungsstarken elektrischen Entladung erford/erlich ist und zwar selbst an Stellen, die weit entfernt von den Wandungen eines Ofens oder eines Reaktors gelegen sind. Diese Ströme können au· der Umgebung große und gut kontrollierte Mengen eine· sekundären Gases oder eines ataVbbeladenen Gases mitführen, wie es bei der

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besonderen chemischen Reaktion erforderlich ist.

Die Hochdruckgaaströme, die den hochgeschwinder. Strahl speisen, können allein durch elektrische Leistung-erhitzt werden, wie oben beschrieben, oder die Erhitzung kann durch chemische Wärmefreisetzung einer in der Hochdruckkaramer brennender: Flamme o.der durch eine elektrisch verstärkte Flamme erfolgen.

An den beschriebenen Ausftihrungsformen der Erfindung können Ton Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

BAD ORIQJNAL

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Claims

4 { 4

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Patentansprüche

1 · Verfahren zum Erzeugen einer elektrischen Entladung, die im wesentlichen gleichmäßig in einer Gasströmung verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine verhältnismäßig heiße Gaszone aufrecht erhalten wird, daß in die genannte Zone ionisierende Zusätze unter Bildung ionisierter Gase eingeführt werden, und daß die genannten ionisierten Gase aus der heißen Zone in die genannte Gasströmung eingeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß

die genannte Gaszone auf eine Temperatur von mindestens 3QOO⁰K erhitzt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ionisierenden Zusätze in die genannte . Zone in einer Menge eingeführt werden,, bei der die Konzentration der Atome der genannten Zusätze einen Mindestwert von 10 pro Kubikzentimeter erreicht.

4·. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierenden Zusätze aus Materialien mit niedrigen Ionisierungspotentialen bestehen.

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5. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ionisierenden Zusätze aus Metallsalzen bestehen.

6. Terfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß die Gasströmung mit einer Zone am Fuß

einer Flamme versehen ist, und daß die genannte Zone eine Temperatur aufweist, die höher ist als der übrige Teil der Flamme.

'; 7. Terfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die genannte Zone am Fuß der Flamme von einer Zündflamme

'- erhitzt wird, die von der genannten Flamme gesondert mit

, einem brennbaren Oemlech versorgt wird, und daß die genannten

. ionisierenden Zusätze* übtr die genannte gesonderte Vereorgung in die Zündflamme eingeführt werden.

Θ. Terfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß , die genannte Zone durch eine elektrische Entladung zwischen Elektroden erhitzt wird, die in der genannten Zone angeordnet sind, und daß die genannten ionisierenden Zusätze von den genannten Elektroden aus verdampft werden.

9· Einrichtung Re zum Erzeugen einer elektrischen Entladung, die im wesentlichen gleichmäßig in einer Gasströmung verteilt

209815/0113 bad original ,

ist, gekennzeichnet durch ein Rohr für die Gasströmung, durch eine Einrichtung zum Erzeugen einer heißen Graszone, durch eine Einrichtung zum Einführen von ionisierenden Zusätzen in die genannte Zone, durch eine Einrichtung zum Einführen von die genannten ionisierenden Zusätze enthaltenden heißen Gase aus der genannten Zone in die genannte Strömung, und durch eine Einrichtung zum Erzeugen einer starken Turbulenz in der genannten Strömung. .

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Gaszone am Fuß einer Flamme in der Gasströmung gelegen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Erzeugen der genannten hei«ßen Gaszone aus einer Elektrode besteht, die in der Mitte eines ersten Rohres τοη dessen Ende nach innen zu entfernt angeordnet ist, und aus tinem zweiten, im ersten Rohr angeordneten und die genannte Elektrode mit Abstand umgebenden Rohr besteht, wobei ein ringförmiger Kanal für die Strömung eines brennbaren Gemisches gebildet wird, das nach Entzündung die genannte flamme bildet* wofcei das End© des genannten zweiten Rohres sich über die Elektrode in Richtung zum Enäe des ersten-'Bohre» hinaus'er-streekt, daß eine

J w *·*

T5TO98T

-26-

Einrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung zwischen der genannten Elektrode und dem genannten zweiten Rohr vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die dem genannten ringförmigen Kanal ionisierende Zusätze zuführt.

12. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Erzeugen der genannten heißen Gaszone aus drei in einem ersten Rohr angeordneten Elektroden besteht, die von einander einen Abstand aufweisen und parallel zur Achse des ersten Rohres verlaufen, daß jede Elektrode an die eine Phase einer dreiphasigen Stromquelle angeschlossen ist, daß die genannten ionisierenden Zusätze der genannten Gaszone mittels eines Metallsalzes zugeführt werden, daa ein niedriges Ionisierungspotential aufweist und von mindestens einer der genannten Elektroden getragen wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen ' ist, die eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden zwecks Verdampfung der Metallsalze erzeugt·

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte, dem ringförmigen Kanal die ionisierenden Zusätze fuführende Einrichtung aus einem Metallsalz mit einem niedrigen Ionisierungspotential besteht, das mindestens von.

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der genannten Elektrode oder dem genannten zweiten Rohr getragen wird.

14". Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die genennte Einrichtung zum Erzeugen einer heißen Gaszone aus Elektroden besteht, die in der Nähe eines Rohres für die Gasströmung und um dieses herum angeordnet sind, daß Gehäuse vorgesehen sind, die mit Abstand von den genausten Elektroden und gegen diese isoliert angeordnet sind und Räume um die genennten Elektroden herum umschließen, daß eine Einrichtung zum Einlassen von unter einen hohen Druck stehenden Gasen In die genannten Räume vorgesehen ist, daß die genannten ionisierenden Zusätze in die genannten Hochdruckgase eingeführt werden, bevor diese in die genannten Räume eingelassen werden, daß Strahldüsen vorgesehen sind, die von den genannten Räumen aus in das genannte Rohr führen,, wobei das genannte die ionisierenden Zusätze enthaltende Hochdruckgas in die genannte Gasströmung im genannten Rohr in Form von Mnzelströmungen eingeführt wird, die eine Turbulenz erzeugen, und daß eine Einrichtung; vorgesehen ist, die eine elektrische große Schwachstromenergie zwischen die genannten Elektroden und durch das durch das Rohr strömende Gas hindurch leitet«

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