DE1589562B2 - Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastroms hoher Temperatur - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastroms hoher Temperatur

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Anwendung dieses Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren geht bereits aus der US-PS 29 72 696 als bekannt hervor. Dabei sind mehrere Plasmageneratoren um eine Mischkammer angeordnet, von der der Hauptplasmastrom abgeht.
Aus der FR-PS 13 11252 ist die Erzeugung eines Plasmas aus Einzelplasmaströmen bekannt, wobei an beiden Enden jedes Einzelplasmastromes Elektroden vorgesehen sind, über die ihm ein elektrischer Strom zugeführt wird, um ihn aufzuheizen.
Der im Anspruch 1 umrissenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das ein Hauptplasmastrom erzeugt werden kann, der sich in einem feldfreien Raum bewegt und bei dem die Einzelplasmaströme durch einen elektrischen Strom aufgeheizt werden können, wobei die Abmessungen„die Temperatur und die chemische Zusammensetzung leicht veränderbar sind.
Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet. Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Anspruch 6 zu entnehmen. Aus Anspruch 7 geht eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Anwendung hervor.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt
F i g. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,
F i g. 2 und 3 jeweils die Ausführungsform nach F i g. 1 mit Vorrichtungen zur Steuerung der Energie des Hauptplasmastromes, gleichfalls in schematischer Wiedergabe,
Fig.4 eine schematische Teilansicht der Anordnung nach Fig. 1,
Fig.5 eine weitere Vorrichtung zur Steuerung der Energie des Hauptplasmastromes in schematischer Wiedergabe,
F i g. 6 und 7 schematisch jeweils eine andere Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vorrichtungen zur Steuerung der Energie des Hauptplasmastromes,
Fig.8 eine Anordnung gemäß Fig. 1, 2 oder 3, die mit einem Ofen zur Erhitzung von Materialien auf hohe Temperaturen verbunden ist, und
Fig.9 eine Anordnung gemäß Fig. 1, wobei eine Vorrichtung zum Abschrecken der Gase des Hauptplasmastromes vorgesehen ist.
Nach F i g. 1 sind zwei Lichtbogenplasmabrenner P] und P2 vorgesehen, die durch zwei elektrische Generatoren Gi und G2 mit Gleichstrom gespeist werden und so zueinander angeordnet sind, daß die beiden Einzelplasmaströme E] und E2, welche von dem Brenner P] bzw. P2 herrühren, in einem Punkt C zusammentreffen und sich zu einem Hauptplasmastrom E vereinigen, dessen Energie gesteuert werden soll. Obwohl Gleichstrom bevorzugt ist, können die Brenner auch mit Wechselstrom betrieben werden.
Wenn man annimmt, daß die beiden Brenner P] und P2 im wesentlichen identisch sind und unter denselben Bedingungen (Art und Strömung des plasmabildenden Gases, elektrische Leistung, Durchmesser der Anoden usw.) betrieben werden, dann verläuft der aus der Vereinigung der beiden Einzelplasmaströme E] und E2 herrührende Hauptplasmastrom E im wesentlichen entlang der Winkelhalbierenden des von den beiden Einzelplasmaströmen E] und E2 eingeschlossenen Winkels.
Sind dagegen die Charakteristiken der beiden Brenner P] und P2 voneinander verschieden, dann wird die Richtung des Hauptplasmastromes E sich der Richtung desjenigen Einzelplasmastromes E] bzw. E2 annähern, der von dem stärkeren Brenner P] bzw. P2 ausgeht, d. h. in welchem beispielsweise die größere
elektrische Energie abgegeben wird oder der mit dem größten Zufluß an plasmabildendem Gas beaufschlagt ist.
Was die Brenner P\ und P2 selbst anbetrifft, so können sie von jeder bekannten Bauart sein und beispielsweise eine Kathode 1 und eine Anode 2 aufweisen, die mit dem negativen bzw. positiven Anschluß des entsprechenden Generators Gi bzw. G2 verbunden sind. Dabei soll die Anode 2 vorzugsweise eine äußere Gestalt aufweisen, welche das enge Zusammenführen mehrerer Plasma-Strahlbrenner desselben Typs nicht hindert.
Die Plasmastrahlbrenner P\ und P2 sind nach F i g. 1 beispielsweise so angebracht, daß die erzeugten Einzelplasmaströme £1 und E2 einen spitzen Winkel von beispielsweise etwa 30° einschließen. Die Brenner P\ und Pt wirken mit einer elektrischen Stromquelle G zusammen, die von den Generatoren Gi und G2 unabhängig ist. Dieses Zusammenwirken ist dabei derart, daß vom Injektionspunkt des einen Einzelplasmastromes über den Treffpunkt c zum Injektionspunkt des anderen Einzelplasmastromes fließt.
Diese Maßnahme hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, da festgestellt werden konnte, daß der größte Teil der von der Stromquelle G an die Einzelplasmaströme E\ und £2 abgegebenen elektrischen Energie im Hauptplasmastrom .^wiedergewonnen werden kann, so daß die im Hauptplasmastrom E in Form von Wärme vorhandene und diesem zu entnehmende Energie bei weitem größer als die Energie sein kann, welche je in den Einzelplasmaströmen E\ und E2 durch die Brenner P\ und P2 erhalten werden könnte, insbesondere wegen des Potentialgefälles entlang des Plasmas, welches sehr viel größer als innerhalb der Brenner P\ und P2 ist.
Dies wird durch die nachstehende Beschreibung eines Versuches erhellt, der mit einer Anordnung nach F i g. 4 durchgeführt wurde. Der Hauptplasmastrom E ging dabei aus der Vereinigung der beiden Einzelplasmaströme £1 und £2 aus Argon hervor, die einen Winkel von 90° einschließen. Die beiden Brenner P\ und P2 waren su zueinander angeordnet, daß der Einzelplasmastrom E\ eine Länge von 45 mm und der Einzelplasmastrom £2 eine Länge von 65 mm hatte. Die beiden Brenner P\ und P2 wurden jeweils mit Argon beaufschlagt, und zwar mit einer DurchHußmenge von 6 !/min. Die in jedem dieser Brenner P\ und P2 abgegebene Energie betrug 6 kW (20 V, 300 A).
Die Stromquelle G zur Zufuhr eines elektrischen Heizstromes in den Einzelplasmaströmen E\ und £2 lieferte bei geschlossenem Schalter 4 einen Strom von 110 A bei einer Spannung von 130 V.
Unter diesen Bedingungen verlief der Hauptplasmastrom £ im wesentlichen entlang der Winkelhalbierenden des von den beiden Einzelplasmaströmen £1 und E2 eingeschlossenen Winkels und hatte eine Länge von etwa 60 mm.
Nachstehend ist die Verteilung der elektrischen Potentiale (gemessen mit Hilfe von Wolfram-Elektroden und eines Voltmeters großer Impedanz) entlang dieser Einzelplasmaströme angegeben, und zwar für die mit ihrem positiven Anschluß an die Anode des eo Lichtbogenplasmabrenners Pi angeschlossene Stromquelle G:
XX3 130 V
65
Punkt Xf BOV
Punkt Xg 75 V
Punkt Xh 70 V
Punkt Xi 60 V
Punkt Xj 50 V
Punkt Xk 40 V
Punkt Χ/ 30 V
Punkt Xm OV
, liegen an den Mündungen der die den Injektionspunkten
Punkt Xa 130 V
Punkt Xb 120 V
Punkt Xc 110 V
Punkt Xd 100 V
Punkt X, 90 V
Die Punkte X3 und Xn,
Brenner P2 bzw. P\,
entsprechen, während der Punkt Xg dem oben erwähnten Treffpunkt Cder Einzelplasmaströme £1 und E2 entspricht.
Es ist zu betonen, daß der Hauptplasmastrom £sich in einem feldfreien Raum befindet. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß je kleiner die den Brennern P\ und P2 zugeführten Gasströme bei sonst unveränderten Parametern sind, desto größer die Längen der erzeugten Plasmaströme und der mögliche elektrische Plasmakreis werden.
Bei der Anordnung nach F i g. 1 stellen die Anoden 2 der beiden Lichtbogenplasmabrenner P\ und Pi die Injektionspunkte des elektrischen Heizstromes in die Einzelplasmaströme £1 und £2 dar. Von der Stromquelle G wird ein Strom über elektrische Leitungen 3 geliefert, die zwischen den Anschlüssen der Stromquelle G und den beiden Anoden 2 vorgesehen sind und einen Schalter 4 aufweisen.
Selbstverständlich kann die Stromquelle G auch so angeordnet werden, daß die Einzelplasmaströme £1 und £2 von einem elektrischen Heizstrom durchflossen werden, der durch den Treffpunkt C und zwischen den beiden Kathoden 1 der beiden Brenner P\ und P2 oder zwischen der Kathode 1 des einen Brenners P\ bzw. P2 und der Anode 2 des anderen Brenners P2 bzw. P\ zirkuliert. Die erste Anordnung ist vorzuziehen, da die Anode 2 stets größer und besser gekühlt als die Kathode 1 bei den meisten Lichtbogenplasmabrennern ist. Weiterhin besteht die Anode 2 im allgemeinen aus Materialien (beispielsweise Kupfer), die die Elektrizität besser leiten als die Stoffe (Wolfram, Molybdän, Graphit), aus denen die Kathode 1 gebildet ist.
Die Weglängen, die für den durch die Einzelplasmaströme £1 und £2 fließenden elektrischen Heizstrom vorhanden sind, können entweder durch Veränderung des Winkels zwischen den Einzelplasmaströmen E\ und £2 durch Drehung der Brenner P\ und P2 um entsprechende Achsen O\ und O2, welche senkrecht zu der Ebene verlaufen, in welcher die Einzelplasmaströme £1 und £2 liegen, oder durch Verschiebung der Träger S\ und 52 der Brenner P\ und P2 entlang der Richtungen der Ströme £1 und £2 gesteuert werden. Die beiden Brenner P\ und P2 sind in F i g. 2 in einer Stellung gezeigt, welche einer geringen Länge der beiden Einzelplasmaströme £| und £2 entspricht, wobei der Hauptplasmastrom £dann nur einen verhältnismäßig geringen Energiebetrag erhält.
In F i g. 3 dagegen sind die beiden Brenner P1 und P2 in einer Stellung wiedergegeben, in der die Längen der beiden Einzelplasmaströme £1 und £2 beträchtlich größer sind, wobei dann der Hauptplasmastrom £ einen beträchtlich höheren Energiebetrag erhält. Je größer die Wege für den von der Stromquelle G gelieferten Heizstrom in den Einzelplasmaströmen £1 und £2 sind, desto größer ist auch die Energie, welche im Hauptplasmastrom £ erhalten werden kann. Parametern, die bei der Steuerung der Energieabgabe an den
Hauptplasmastrom E berücksichtigt werden müssen, sind die Art des das Plasma bildenden, in den Brennern P\ und P2 verwendeten Gases, die Strömung bzw. der Durchsatz dieser Gase durch die Brenner P\ und P2, und die von der Stromquelle G gelieferte Energie.
Insbesondere ist der bei dem oben an Hand der F i g. 4 beschriebenen Versuch festgestellte Potentialabfall je Weglänge am geringsten, wenn Argon als plasmabildendes Gas verwendet wird, und diese Werte steigen in Gegenwart eines zweiatomigen Gases, wie beispielsweise Wasserstoff. Werden Lichtbogenplasmabrenner P\ und Pt eingesetzt, welche die Bildung laminarer Strömungen bei niedrigen Gasdurchsätzen ermöglichen, dann ist der Hauptplasmastrom E, der sich aus der Vereinigung dieser laminaren Einzelströme E\ und E2 ergibt, lang und verhältnismäßig eng.
Bei Einwirkung auf andere Parameter, beispielsweise bei einer Vergrößerung des von den Einzelströmen E\ und Ei eingeschlossenen Winkels oder bei einer Steigerung der von der Stromquelle G in die Einzelströme E\ und E2 abgegebenen Energie, neigt der Hauptplasmastrom E dazu, beträchtlich hinsichtlich seines Volumens anzuwachsen und zeigt dann die Umrisse einer Feder. Ein derartiger Hauptplasmastrom E ist für solche Anwendungen besonders interessant, wo ein sich in einem feldfreien Raum bewegender Plasmastrom mit einer extrem niedrigen Strömungsgeschwindigkeit benötigt wird, beispielsweise bei der Behandlung von pulvrigen Materialien.
Wenn der von den Einzelströmen E\ und E2 eingeschlossene Winkel verhältnismäßig klein und die in diese Ströme von der Stromquelle G abgegebene Energie sehr beträchtlich wird, dann erhält man mehrere Hauptplasmaströme E, die alle die Konturen von Federn aufweisen, jedoch im Bereich des Treffpunktes Cdurch dunkle Zonen getrennt sind.
Die Steuerung der Weglängen für den von der Stromquelle G gelieferten Heizstrom kann auch auf andere Weise erfolgen, und zwar so wie in. F i g. 5 dargestellt. Dabei wird der von der Stromquelle G gelieferte Heizstrom den Einzelplasmaströmen E\ und E2 durch Hilfselektroden D\ und D2 zugeführt. Die Hilfselektroden D\ und D2 sind vorzugsweise von ringförmigen Bauteilen gebildet, welche jeweils den zugehörigen Einzelplasmastrom E\ bzw. E2 umgreifen, wobei nicht dargestellte Vorrichtungen zur Kühlung der Elektroden D\ und D2 vorgesehen werden können.
In diesem Fall können die Weglängen für den Heizstrom innerhalb der Einzelplasmaströme E\ und E2 auf einfachste Weise gesteuert werden, indem die Elektroden D\ und D2 entlang der beiden zugehörigen Einzelplasmaströmen E\ und E2 verschoben werden, wie durch die Doppelpfeile in F i g. 5 verdeutlicht.
Der größte Teil der von der Stromquelle G gelieferten Energie im Hauptplasmastrom E kann in Form von Wärme wiedergewonnen werden. Die im Hauptplasmastrom f?enthaltene Energie kann beträchtlich sein, wie aus dem Messungen hervorgeht, deren Ergebnisse in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt sind. Diese verdeutlichen insbesondere die hohen Ausbeuten.
Die in der Tabelle I aufgeführten Ergebnisse wurden mit einer Anordnung erzielt, wie sie in F i g. 1 und 4 wiedergegeben ist, wobei die beiden Lichtbogenplasmabrenner P\ und P2 mit Gleichstrom betrieben wurden und die beiden Einzelplasmaströme E\ und E2 einen Winkel von 40° einschlossen.
Die vom Hauptplasmastrom E entwickelte Wärme wurde in einem Kalorimeter wiedergewonnen und gemessen.
Tabelle I
Von der Von den Gene Im Haupt- Ausbeute
Stromquelle ratoren G\, G2 plasmastrom
G gelieferte sowie von der E enthaltene
Energie Stromquelle G Energie
an das Plasma
abgegebene
Gesamtenergie
16 kW 18,2 kW 15,4 kW 84,5 %
14 kW 16,5 kW 14,1 kW 85,5 %
2OkW 22,3 kW 18,6 kW 83,5 %
3OkW 32,2 kW 25,5 kW 79,0 %
45 kW 48,2 kW 38,8 kW 80,5 %
Dieselben Messungen wurden an wechsefstrombetriebenen Lichtbogenplasmabrennern P\ und P2 vorgenommen, wobei auch die Stromquelle G einen Wechselstrom lieferte. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der nachstehenden Tabelle II aufgeführt.
Tabelle II
Von der Von den Gene Im Haupt- Ausbeute
Stromquelle ratoren Gi, G2 plasmastrom
G gelieferte sowie von der E enthaltene
Energie Stromquelle G an Energie
das Plasma ab
gegebene Gesamt
energie
14,4 kW 15,7 kW 13,3 kW 84,5 %
22,4 kW 23,1 kW 14,0 kW 60,5 %
31,0 kW 32,0 kW 20,OkW 62,5 %
14,0 kW 16,9 kW 13,6 kW 80,5 %
20,2 kW 22,5 kW 18,8 kW 83,5 %
21,8 kW 25,6 kW 20,8 kW 81,0 %
19,6 kW 20,6 kW 14,8 kW 72,0 %
18,0 kW 19,1 kW 13,5 kW 70,5 %
16,2 kW 18,3 kW 15,5 kW 84,5 %
22,4 kW 25,4 kW 20,0 kW 79,0 %
13,8 kW 16,4 kW 15,3 kW 93,0%
24,3 kW 24,8 kW 21,2 kW 85,5 %
32,5 kW 33,8 kW 28,0 kW 83,0 %
Vorstehend sind Anordnungen beschrieben, welche zwei Lichtbogenplasmabrenner P\ und P2 aufweisen und wobei die Stromquelle G einen Gleich- oder Wechselstrom liefert. Bei einer weiteren Ausfiihrungsform nach F i g. 6 ist eine äußere Stromquelle G' vorgesehen, die von einem Generator für Dreiphasenwechselstrom gebildet ist. Bei der Anordnung nach F i g. 6 ist die Stromquelle G' mit den drei Anoden 2 über Leitungen 7 verbunden, welche jeweils einen Schalter 8 aufweisen.
Eine andere Ausführungsform ist in F i g. 7 dargestellt, wobei einer der Brenner aus einem Brenner Q mit chemischer Verbrennung besteht Der Brenner Q weist eine Austrittsdüse 15 auf und wird mit einem Brennstoff sowie dem die Verbrennung ermöglichenden Gas, beispielsweise Sauerstoff, in herkömmlicher Weise beaufschlagt.
Die beiden Brenner P\ und Q sind so angeordnet, daß ihre beiden Einzelströme E\ und F sich miteinander zu einem Hauptplasmastrom E vereinigen. Die äußere
Stromquelle H für die Hervorbringung eines elektrischen Stromes in den Einzelströmen E\ und Fist dann mit der Anode 2 des Brenners P\ und der Düse 15 des Brenners Q verbunden. Letztere kann vorteilhafterweise gekühlt sein, beispielsweise durch einen nicht <■, dargestellten Wasserkreislauf.
Unter Verwendung einer Anordnung nach F i g. 1 können zunächst zwei konvergierende Einzelplasmaströme £Ί und £2 von Gasen erzeugt werden, welche eine geringe Reaktivität bezüglich der Elektroden der Brenner P\ und P2 aufweisen, und ein Heizstrom in den Einzelplasmaströmen E\ und £2 erzeugt werden, worauf in einer zweiten Stufe der Generator Gi des Brenners P\ stillgesetzt und das ursprünglich dem Brenner Pi zugeführte Gas durch ein anderes Gas ersetzt wird, das in dem Brenner P\ nicht als plasmabildendes Gas verwendet werden kann, und zwar wegen seiner starken Aktivität bezüglich der Elektroden oder wegen seiner korrosiven Wirkung. (Ein derartiges Gas könnte beispielsweise Sauerstoff sein, der mit der Wolfram-Kathode reagieren würde, wenn ein Bogen zwischen dieser Kathode und der Anode des Brenners gezündet werden würde.) Das substituierte Gas nimmt dann am Transport des Heizstromes innerhalb des besagten Weges in den Einzelplasmaströmen E\ und £2 teil. Tatsächlich ist es möglich, alle Bögen in den Lichtbogenplasmabrennern abzustellen und allein mit der Stromquelle G einen Heizstrom innerhalb des obigen Weges aufrechtzuerhalten.
Die Bildung von Plasmen solcher Gase ist besonders vorteilhaft, beispielsweise im Hinblick auf besondere chemische Reaktionen. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß die Bildung eines aus vermischten Gasen bestehenden Plasmas mit jeder gewünschten Zusammensetzung ermöglicht wird.
Gesteuerte Plasmaströme der obigen Art sind besonders geeignet für das Schmelzen von pulvrigem, feuerfestem Material, wo Erosionsphänomene vermieden werden müssen.
In F i g. 8 ist ein Zentrifugalofen 10 zum Erhitzen derartiger Materialien dargestellt, wobei der Hauptplasmastrom E, der mit einer Anordnung der in F i g. 1 wiedergegebenen Art erzeugt ist. Die Lichtbogenplasmabrenner P\ und Pi sind vorteilhafterweise so angeordnet, daß der Treffpunkt der beiden Einzelplasmaströme £1 und £2 etwa im Eintritt des Ofens 10 liegt. Diese Anordnung umfaßt weiterhin vorteilhafterweise ein Zuführsystem für das pulvrige Material, welches sich aus einer Leitung 11, die zwischen den beiden Strömen £*i und E2 angeordnet ist, und aus einer Dosiervorrichtung 12 zusammensetzt, welche der Leitung 11 veränderliche Mengen an pulvrigem Material zuführt.
Die an den Hauptplasmastrom £f abgegebene Energie kann auf irgendeine der vorstehend erörterten Weisen verändert werden, insbesondere durch eine translatorische oder drehende Bewegung der Brenner P\ und P2 und/oder durch Translationsbewegungen des Ofens 10 in Abhängigkeit von der Stellung der Lichtbogenplasmabrenner (diese Abhängig ist in F i g. 8 mit der strichpunktierten Linie 13 angedeutet), um den Treffpunkt Cstets etwa im Eintritt des Ofens zu halten.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 909 532/6

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastroms hoher Temperatur, bei welchem wenigstens zwei von Plasmageneratoren erzeugte Einzelplasmaströme in einem Treffpunkt zu einem Hauptplasmastrom, der in einer Richtung verläuft, die von denjenigen der Einzelplasmaströme abweicht, vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Strom zwischen den Injektionspunkten der Einzelplasmaströme über den Treffpunkt (C) fließt und daß zur Steuerung der Temperatur und der Abmessungen des Hauptplasmastroms (E) die elektrische Energie, die zwischen den Injektionspunkten (2; D], D2) den Einzelplasmaströmen (Eu E2, ...) zugeführt wird sowie zur Steuerung der Abmessungen des Hauptplasmastromes (E) die Stellung mindestens eines der Plasmageneratoren (Pi, P2, ...) gegenüber dem Treffpunkt (^veränderlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplasmaströme in Lichtbogenbrennern erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anlegen des elektrischen Stromes die Stromzufuhr für die Lichtbogen der Plasmabrenner (P\, P2, ...) abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten der Stromzufuhr für die Lichtbogen der Plasmabrenner (P\, P2, ...) diesen an Stelle des ursprünglichen Gases ein anderes Gas zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Gas ein bezüglich der Plasmabrenner (P\, P2, ...) reaktionsfähiges Gas, insbesondere Sauerstoff, ist.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei einem Ofen, wobei die Eintrittsöffnung des Ofens (10) am Treffpunkt (C) der Einzelplasmaströme (E], E2,...) vorgesehen ist.
7. Anwendung nach Anspruch 6 bei einem Zentrifugalofen.
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