DE1564333C3 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasentladungsplasmas - Google Patents

Description

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reich oberhalb eines Megawatt, die Verwendung und Endflanschen 19, 20, 30 und 31 der Elektroden billiger Kupferelektroden zuläßt. Die Verwendung geeignete O-Ring-Dichtungen vorgesehen sind. Zwider kinetischen Energie des strömenden Gases für sehen den Elektroden und dem Gehäuse sind Kühldie Instabilisierung des Lichtbogens erfordert keiner- mitteldurchlässe 32, 33, 34 und 35 ausgebildet, und lei ständige Steuerung, wenn auch zur Erhöhung der 5 zwar sowohl innerhalb und außerhalb von in der Instabilität des Lichtbogens in besonderen Fällen Bohrung 24 angeordneten, mit Durchtrittsöffnungen Steuerungen leicht und ohne großen Aufwand mög- versehenen Wärmeleitkörpern 36 und 37. Das Kühllich sind. mittel kann über Leitungen 38 und 39 in die Durch-

So können den Elektroden magnetische Mittel lasse 32 und 34 eintreten, in und außerhalb der

oder gesonderte Magnetfeldspulen zum Drehen io Durchlässe 33 und 35 zirkulieren und über Leitungen

wenigstens eines der Lichtbogenfußpunkte zugeord- 40 und 41 austreten.

net sein. Ferner kann eine Einrichtung zum Einleiten Ein Lichtbogen durchdringt in seinem Entladungsvon Löschmittel in die Strömungsbahn des Heißgas- verlauf beide Elektroden in der Strömungsbahn des Stroms stromab der Lichtbogenfußpunkte vorgesehen Gases, wobei insbesondere an den variablen Lichtsein. Das Löschen oder Abschrecken der Gase in 15 bogenfußpunkten an den Elektroden eine hohe Instadiesem Bereich wirkt zusätzlich einem Verbleib der bilität erzeugt wird. Ein derartiger Entladungsverlauf Lichtbogenfußpunkte an einer Stelle einer Elektrode ist allgemein durch die Linien 42 in F i g. 2 angeentgegen, während hierdurch gleichzeitig eine Mög- deutet. Der Lichtbogen passiert axial und in entlichkeit zur präzisen Steuerung des Intervalls gegeben gegengesetzter Richtung die Abschnitte 12 a und 13 a ist, in welchem das Gas in einem heißen, reaktions- 20 und greift an· den im Durchmesser vergrößerten Abfälligen Zustand verbleibt. schnitten 12 b und 13 b der Elektroden variabel an.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus Ein derartiger variabler oder instabiler Angriff wird der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, von der Geschwindigkeit und der Wirbel- oder Drehin der mehrere Ausführungsbeispiele des Gegen- bewegung des die Elektroden innen überstreichenden stands der Erfindung dargestellt sind, es zeigt 25 Gasstroms herbeigeführt bzw. gefördert. Außerdem

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Ausfüh- schafft die Vergrößerung des Durchmessers der Ab-

rungsform der Vorrichtung zum Erzeugen eines Gas- schnitte 12 b und 13 b eine größere Fläche für ein

entladungsplasmas, Überspielen durch den Lichtbogen, wodurch irgend-

Fig. 2 einen in derselben Ebene wie in Fig. 1 welche Tendenzen zur Hochtemperaturerosion der

gelegten Vertikalschnitt in Vergrößerung, jedoch mit 30 Elektrodenfläche verringert werden. Der Lichtbogen

einem typischen Lichtbogenentladungsverlauf, oszilliert zwischen den dargestellten verschiedenen

F i g. 3 bis 5 Ansichten im Schnitt nach der Linie Lichtbogenfußpunkten. Die Temperatur der Elek-

3-3, 4-4 bzw. 5-5 in Fig. 2, trodenoberfiäche an den Lichtbogenfußpunkten kann

Fig. 6 und 7 weitere abgewandelte Ausführungs- weit unter dem Schmelzpunkt von Kupfer gehalten

formen der Vorrichtung. 35, werden, so daß eine Bildung von Kupferkarbid weit-

Die in der Zeichnung veranschaulichte Vorrich- gehendst vermieden wird, wenn das Gas Hydrokartung zur Erzeugung eines Gasentladungsplasmas um- bone oder karbonhaltige Gase enthält. Für eine Zufaßt eine Kathode 10 und eine Anode 11. Beide sind führung von elektrischem Strom zu den Elektroden rotationssymmetrisch, hohl und beidseitig offen sowie 10, 11 können zur Erzeugung eines derartigen vorauf einer gemeinsamen Symmetrieachse getrennt 40 teilhaften instabilen Lichtbogenentladungsverlaufes nebeneinander angeordnet. Im einzelnen weisen sie elektrisch leitende Anschlußplatten 44 und 45 vorfür ein Passieren eines Gasstromes in Richtung der gesehen sein, die bei 46 und 47 an die Endflansche Pfeile 14 und 15 koaxiale aus Abschnitten unter- 30 und 31 der Elektroden angeschlossen sind. Die schiedlichen Durchmessers zusammengesetzte Durch- Platten 44 und 45 können ferner an gegenüberliegenlässe 12 und 13 auf. Als Material kann vorteilhaft 45 den Enden des Gehäuses 25 durch bei 50 mit den Kupfer oder ein anderes leitendes Material vorge- Platten und dem Gehäuse verschraubte Ringkörper sehen sein. 48 und 49 gehalten sein. Mit 51 ist eine über Ver-

Für den Einlaß eines Gasstroms ist zwischen der bindungen 52 und 53 an die entsprechenden Platten Kathode und der Anode ein Spalt vorgesehen, durch 44 und 45 angeschlossene Gleich- oder Wechseiden das Gas in die beiden Elektroden einströmt. Ein 5° strom- und -Spannungsquelle bezeichnet.
Fluorkarbongasring 16 bildet eine Anzahl von Ein- In die Strömungsbahn des Heißgasstroms stromab laßöffnungen 17, über die, wie das aus F i g. 3 er- der Lichtbogenfußpunkte kann ein Löschmittel einsichtlich ist, Gas von einem Kanal 22 und einer geleitet werden. Bei der dargestellten Ausführung Kammer 22a tangential in den Spalt 18 zwischen sind Bauteile 48 und 49 vorgesehen, die Kammern Anoden- und Kathodenabschlußflanschen 19 und 20 55 54 und 55 bilden, denen das Löschmittel über Lei-(F i g. 1) einströmt. Hierdurch entsteht eine um die tungen 56 und 57 zugeführt wird. Aus diesen Kamgemeinsame Symmetrieachse rotierende Wirbelströ- mern gelangt das Löschmittel, das üblicherweise aus mung, die sich an der Stelle 21 teilt. Die Teilströme Wasser oder einem anderen geeigneten Medium betreten in zylindrische Abschnitte 12 a und 13 a der steht, über öffnungen 58 und 59 in das Gas, und Durchlässe 12 und 13 mit relativ geringerem Durch- 60 zwar in Bereichen 60 und 61 stromab der Lichtmesser ein. Die aneinandergrenzenden Abschnitte 12 α bogenfußpunkte. Das Löschmittel setzt die Tempe- und 13 α sind mit den jeweils durchmessergrößeren ratur des Gastromes stark herab und unterstützt die Abschnitten 12 b und 13 b der Durchlässe 12 und 13 Beendigung oder Verminderung der im Gasstrom über kegelstumpfförmige Übergangsstücke verbun- auftretenden chemischen Hochtemperaturreaktionen, den, wie das in der Zeichnung dargestellt ist. 65 Mittels Ventilen 62 und 63 ist die in die Bereiche 60

Die oben beschriebene Anordnung ist in der Boh- und 61 eingeleitete Lösch- bzw. Kühlmittelmenge

rung 24 eines Gehäuses 25 zentrisch angeordnet, wo- steuerbar. Ein Löschen bzw. Abschrecken kann

bei bei 26, 27, 28 und 29 zwischen der Bohrung 24 außerdem über unmittelbar in den Elektroden 10 und

11 stromab der Lichtbogenfußpunkte angeordnete Durchlässe für Wasser oder andere Löschmittel (F i g. 7) herbeigeführt werden.

Die beiden Gasströme können aus den in Leitungen 64 und 65 gelegenen Bereichen 60 und 61 wieder vereinigt werden, wie das durch die Leitungen 66 und 67 dargestellt ist. Sie können auch, wie das ebenfalls dargestellt ist, über Leitungen 68 und 69 einzeln abgeführt werden. In beiden Fällen dienen in solche Leitungen eingebaute Regulierventile 70 bis 73 zur veränderlichen Steuerung des aus der Vorrichtung abgeführten Gasstroms. Außerdem kann der in den Kanal 22 a eintretende Gasstrom in seiner Durchflußmenge und in seinem Druck durch ein Ventil 74

oder andere Hilfsmittel zur Steuerung des Lichtbogenentladungsverlaufs gesteuert werden, um z. B. die Lichtbogenfußpunkte mehr oder weniger stromab oder stromauf in den Durchlässen 12 und 13, d. h. von den Abschnitten 12 a und 13 a in die Abschnitte 12 & und 13 b zu verlegen. Schrauben 76 und 77 befestigen Rohrhalter 78 und 79 an den Ringteilen 48 bzw. 49. Mit der in den F i g. 1 bis 5 dargestellten Vorrichtung wurde zur Azetylenherstellung Erdgas in Reaktion gebracht, wobei bei einem Aufwand von 4,06 kWh pro 453,59 Gramm erzeugten Azetylens eine Konzentration von 13,5% erzielt wurde. Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse verschiedener Betriebsabläufe wieder:

Betriebsparameter für kleine Ausführung des Vorrichtungskopfes

Leerlaufspannung (V)

Betriebsspannung (V)

Betriebsstrom (Amp.)

Eingangsleistung (kW)

Erdgasstrom (m³/h)

Wasserstoffgas (m³/h)

Druck am Einlaß des Wirbelgasringes (atü)
Austrittsdruck stromab der Elektrode (atü)
Azetylen im Produktgas (°/o)

	Betriebsablauf	2	3	Nr.	4
Ί	800	800	800
800	444	550	565
400	220	190	160
120	97	105	91
52,8	23,49	19,25	28,19
23,08	0	29,43	6,52
0	4,20	5,67	5,04
3,22	0	3,50	2,975
0	14,2	7,6	11,0
13,5

800 610 180 110 46,48 10,04 6,02 3,08 7,6

F i g. 2 veranschaulicht eine zusätzliche Zuleitung oder Kanal 80 für eine direkte Einleitung oder Einspritzung eines Reaktionsteilnehmers in den Lichtbogen an einer stromab der Stromverzweigungsstelle 21 gelegenen Stelle. Das ist dort von ungewöhnlichem Vorteil, wo der Reaktionsteilnehmer aus Feststoffpartikeln, z. B. Eisenerz, besteht, um ein Produkt gewünschter metallurgischer Eigenschaften herstellen zu können.

Gemäß F i g. 6 erstreckt sich eine ein magnetisches Feld erzeugende Spule 120 um eine Elektrode 121 einer Ausbildung, die der Elektrode 11 in F i g. 2 entspricht. Die Spule wird von einer Spannungsquelle

122 in gesteuerter Form so erregt, daß sie ein Drehen der Lichtbogenfußpunkte innerhalb des Abschnitts

123 bewirkt, z. B. dann, wenn ein pulveriger Reaktionsteilnehmer zugeführt wird. Außerdem ist bei 124 eine Einrichtung dargestellt, die einen Kanal 125 und eine in der Elektrode 121 angeordnete Injektordüse 126 zur Einleitung von Löschmittel in die Bahn des Heißgasstroms stromab der Lichtbogenfußpunkte umfaßt.

In Fig. 7 sind ein magnetisches Feld erzeugende Spulen 128 und 129 dargestellt, die sich um Elektroden 130 und 131 erstrecken. Die Elektrode 130 gleicht der Elektrode 10 in Fig. 2; die Elektrode 131,133 weicht jedoch insofern ab, als sie gegenüber der Elektrode 130 (und in bezug auf die Stromverzweigungsstelle 132) unsymmetrisch ist. Die einzelnen Spulen 128 und 129 können gesondert erregt werden, wie das bei 134 und 135 dargestellt ist, um ein Drehen der Lichtbogenfußpunkte in den Durchlässen 136 und 137 herbeizuführen.

Die Anode und die Kathode können verschiedene andere Formen mit Strömungsdurchlässen haben, insbesondere in der Durchmesserabstufung variieren. Ferner können als Anode und Kathode symmetrische oder unsymmetrische Paare derartiger Elektroden verwendet werden. Außerdem können beliebige elektrisch leitende Materialien zur Anwendung kommen, wenn diese eine einwandfreie Kühlung vertragen. Ausbildung und Anordnung der Vorrichtung, wie sie in den Ausführungsbeispielen beschrieben ist, gestatten die Anwendung eines Lichtbogens mit bedeutend höherer Bogenspannung für eine höhere Leistungsabgabe, z. B. im Megawattbereich, machen bei vielen Anwendungen die Verwendung einer teuren Wolframelektrode entbehrlich, gestatten die Verwendung von Elektroden aus gleichem Material, z. B. aus Kupfer, ermöglichen eine vereinfachte Ausführung der Kathoden- ebenso wie Anoden-Lichtbogenfußpunktbereiche, ohne daß es erforderlich ist, auf wirksame thermionische Emitter als Kathodenmaterialien zurückgreifen zu müssen, erlauben eine Vorrichtungsvergrößerung für große Gasdurchsätze und hohen Leistungsbedarf und ermöglichen aus Symmetriegründen eine vereinfachte Konstruktion. Sie erlauben ferner einen Betrieb mit bedeutend höheren Gasdrücken, eröffnen die Möglichkeit, stark unterschiedliche Stoffe ohne nachteilige Auswirkung unmittelbar durch den Lichtbogen hindurchleiten zu können, schaffen eine bessere Steuerung von Strom und Druck und verminderte Spitzenstromschwankungen, ermöglichen einen Betrieb bei einem bedeutend höheren Prozentsatz an Leerlaufspannung, so daß eine geringere Leistungszuführung erforderlich ist, und schaffen eine bessere Steuerung des Löschvorgangs.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Patentansprüche· Vorrichtung mit im Entladungsverlauf des Licht- " bogens gleichmäßigem Strömungsverhalten der die

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Gasent- Elektroden durchströmenden Gasteilströme hat der ladungsplasmas mittels einer Lichtbogenent- Lichtbogen einen stabilen Entladungsverlauf mit der ladung, bestehend aus einer Kathode und einer 5 Folge einer hohen Elektrodenerosion bei thermio-Anode, die beide rotationssymmetrisch, hohl und iüschen Temperaturen. Zur Herabsetzung von Erobeidseitig offen sind und die auf einer gemein- sionserscheinungen ist daher die Verwendung von samen Symmetrieachse durch einen Spalt von- teuren Elektrodenmaterialien, z. B. Wolfram, ereinander getrennt nebeneinander angeordnet sind, forderlich. Ferner besteht bei einer solchen Vorrichbei der das zu ionisierende Gas tangential durch io tung die Gefahr eines Zusetzens und Zersetzens der den Spalt in die beiden genannten Elektroden Kathode bei Einleitung von Hydrokarbonen in den einströmt, so daß eine um die gemeinsame Sym- Lichtbogen. Infolge der Elektrodenabnutzung durch metrieachse rotierende Wirbelströmung entsteht, Erosionen ist die Vorrichtung insbesondere auf Leidadurch gekennzeichnet, daß sowohl stungen beschränkt, die erheblich unterhalb eines die Kathode als auch die Anode aus zwei zylin- 15 Megawatt liegen.

drischen Abschnitten unterschiedlichen Durch- Ferner ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines messers bestehen, die durch ein kegelstumpf- Gasentladungsplasmas bekannt, die einen aus Isolierförmiges Übergangsstück miteinander verbunden stoff bestehenden zylindrischen Lichtbogenraum aufsind, und die beiden . Abschnitte geringeren weist, dem zentral Gas zugeführt wird und in dem Durchmessers aneinandergrenzen. so endseitig Fußpunktelektroden ringförmiger Ausbil-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- dung angeordnet sind. Auf der Abströmseite der kennzeichnet, daß den Elektroden magnetische Fußpunktelektroden schließen sich Abführkanäle Mittel (120) oder gesonderte Magnetfeldspulen mit vergrößertem Strömungsquerschnitt > an, über (128 und 129) zur Rotation wenigstens eines der welche das Gas nach Passieren der Lichtbogenent-Lichtbogenfußpunkte um die Symmetrieachse zu- 35 ladungsstrecke abströmt. Durch die Anwendung geordnet sind. wiederholt gezündeter Lichtbogen oder die Bewegung

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ge- der Lichtbogenfußpunkte auf Laufschienen oder die kennzeichnet dadurch eine Einrichtung (124, 125 Anbringung ferromagnetischer Bauteile in der Nahe und 126) zum Einleiten von Löschmittel in die des Lichtbogenbereiches lassen sich hohe Wande-Strömungsbähn des Heißgasstroms stromab der 30 rurigsgeschwindigkeiten für den Lichtbogen mit der Lichtbogenfußpunkte. Folge einer Herabsetzung der Elektrodenerosion er-

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 zielen. Derartige Vorrichtungen jedoch sind baulich bis 3, gekennzeichnet durch einen einer Elektrode verhältnismäßig kompliziert und bedürfen einer auf-(11) zugeordneten Kanal (80) zum Zuführen von wendigen, ständigen Steuerung, um eine Lichtbogen-Material in den Lichtbogen an einem stromab 35 wanderung aufrechtzuerhalten. Die Verwendung der Verzweigungsstelle (21) des eintretenden Gas- schmaler Fußpunktelektroden schließt trotz Lichtstroms gelegenen Punkt. bogenwanderung ein Auftreten von. Elektroden-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 erosionen erheblichen Ausmaßes nicht aus, so daß bis 4, gekennzeichnet durch Leitungen (66, 67) nach wie vor die Verwendung von Wolframkathoden zur Vereinigung der stromab der Lichtbogenfuß- 40 erforderlich ist. Ferner sind solche Vorrichtungen in punkte an den Elektroden (10, 11) abströmenden ihrer Größe beschränkt und nur für begrenzte Gas-Gasteilströme und Ventile (70, 71, 72, 73) zur durchsätze und elektrische Leistungen geeignet.
Gasstromsteuerung. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der eine baulich einfache, für hohe Gasdurchsätze und Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine 45 elektrische Leistungen einsetzbare Vorrichtung zur Steuerung der Gaszufuhr im Bereich vor der Erzeugung eines Gasentladungsplasmas zu schaffen, Verzweigung des Gasstromes in Gasteilströme. bei der durch eine hohe Instabilität des Lichtbogens

Erosionen auf ein Mindestmaß verringert sind, welches die Verwendung billiger leitender Elektroden-

'■ 50 materialien, insbesondere Kupfer, für beide Elektroden ermöglicht.

.1 ■ Hierzu ist die Vorrichtung nach der Erfindung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs gezum Erzeugen eines Gasentladungsplasmas mittels nannten Art dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die einer Lichtbogenentladung, bestehend aus einer Ka- 55 Kathode als auch die Anode aus zwei zylindrischen thode und einer Anode, die beide rotationssymme- Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers betrisch, hohl und beidseitig offen sind und die auf stehen, die durch ein kegelstumpfförmiges Übereiner gemeinsamen Symmetrieachse durch einen gangsstück miteinander verbunden sind, und die beiSpalt voneinander getrennt nebeneinander angeord- den Abschnitte geringeren Durchmessers aneinandernet sind, bei der das zu ionisierende Gas tangential 60 grenzen.

durch den Spalt in die beiden genannten Elektroden Die Aufteilung der Elektroden in Abschnitte untereinströmt, so daß eine um die gemeinsame Symme- schiedlichen Durchmessers schafft in Verbindung trieachse rotierende Wirbelströmung entsteht (vgl. mit der Gasführung in einem Wirbelstrom .einen in die französische Patentschrift 1 395 362). hohem Maße instabilen Lichtbogen, bei dem Elek-Bei dieser bekannten Vorrichtung haben die Ka- 65 trodenerosionen sowohl bei hohen wie auch bei niedthode und die Anode einen zylindrischen, vom Gas rigen elektrischen Leistungen und Gasdrücken auf durchströmten Innenraum untereinander gleichen, einen Wert vermindert sind, der auch bei mit hohen unveränderlichen Durchmessers. Bei einer derartigen Leistungen betriebenen Vorrichtungen, z. B. im Be-