DE1807595U - Lichtbogenanordnung mit gekuehlten metallelektroden zur aufheizung eines gasstromes in grosstechnischem massstab. - Google Patents

Description

P.A. 048 576*22.1.en 2-

KBTAPSACK-ÖBIESHEIM JJtTIBUGESSLLSCHAPT r ■ Knapeaok bei Köln

Knapeack, den 19.1.1960

t 298 gm 3|_{μ ι ι} 51 .,^45/2Ih Sm

_ III gekühlten Metallelektroden gur

eines flaeetromgo in großtechnlgohem MaSatab.

IM «in·» Qaeetreüa.1 im Lichttogen thermieche Energie aueufUhren, eind Einrichtungen bekannt geworden, die mit koaxialen Elektro-4·η arbeiten. Dabei wird beiepielsweiae eine stabförmige Kathode tang eine eu dieser koneentrisen angeordente ringför~ alge Anode verwandt* Mt Elektroden bestehen aue Graphit, Wolfraa Oder aue wassergekühlten, gut wärmeleitenden Metallen, wie B.B» lupfer«

Dae aufauheiaende Sa· wird im allgemeinen in wirbelnder Bewegung» gelegentlich auch in axialer Richtung, in den von beiden fO Elektroden gebildeten Brennraum eingeblaeezu

Ie eind auoh Einrichtungen bekannt geworden, die eich eines Bueätelichen axialen Magnetfeldee bedienen, um den Lichtbogen in drehende Bewegung «tt vereetzen.

Alle diese Anordnungen sind indessen, wie die Erfahrung lehrt» nur anwendbar für Leistungen bie au ca. 50 kW, wie ele z.B. für Schweiß- und Sohneidewecke auereichen*

• > Will isan derartig« Llohtbogenanordnungen für groBteahnieche Zwecke, alte fmr Leistungen bie xu 10 000 kW Ik Bauerbetrieb betrelben₉ eo koemt »an mit den bisher bekannten Anordnungen eu unüberwindlichen Ifaterialeohwierigkeiien, lnebeeondere dann» wenn man &φά «ehr gut wärmeleitenden Waeaeretoff aufuohe Temperaturen haufhelzen, d.h., wenn »an atomaren faaeeretoff her*· stellen will*

m. 2 —■

Kur Aufhellung eines GtasatroBies In großtechnischem Maß8tat» ia einer au· einer gekühlten, stabfSrmlgen Kathode und einer ebenfalls gekühlten, ring·* «Nies* dUsenförmigen, koaxial «ur Kathode angeordneten Anode bestehenden Lichtbogenanordnung unter Einblaeung dee aufeuheisenden Gaseβ in den Brennraum und Anwendung eines axial gerichteten Magnetfeldes wird ao vorgegangen, dasa da« aufeuheisende Gae slt größtmöglicher Geschwindigkeit, yoraugeweiae mit Schallgeschwindigkeit, bezogen auf dl· Temperatur de« eingeführten Gases, In den Brenn· raum eingeblaeen und dabei duroh einen eueätzlichen, tangential oberhalb des Brennraum«« auge führten Gasstrom von ύ«τ Brenn«· raustwandung ferngehalten wird«

Bei &&r erfindungBgemäeeen Torrichtung zur JDurohführung dieser Arbeitewelae let besonders wichtig, dass in der unmittelbaren 1$ Umgebung der Llohtbogeneäule nur relativ gut wärmeleitende Werkstoffe aus der Gruppe elektrischer Isolierstoffe verwendet werden, beispielsweise Steatit oder Sinterkorund*

Weiterhin 1st von Bedeutung» dass eur tangentialen Einleitung des eusät «Hohen Gas ströme β in den Brennraun vor der Anode, ZQ bezogen auf die Strömungβrichtung des Hauptgasetromes, und koaxial au ihr, eine Drallbuchse angeordnet ist«

Blne Vorrichtung war Durchführung des erfindungsgeoäeeen Yerfahrene 1st echematiech im ULngeschnitt in der beigegebenen Zeiohnung dargestellt«

Xn dieser Zeichnung bedeutet 1 die atiftförmige Kathode» die auf einem Teil ihrer Länge von dem äusseren Mantel 2 und dem inneren Mantel 5 umgeben 1st» Während in den duroh ä«n äueseren Mantel 2 und den inneren Mantel 5 gebildeten Kühlwassermantel duroh die Leitung 4 Kühlwasser eingeführt und duroh die Leitung 5 wieder abgeführt wird, dient der »wischen der stlftfurmigen Kathode t und dem inneren Mantel 5 sowie der zwischen der Kathode 1 und der iührungehülse 10 vorhandene Ringspalt dazu, das

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durch Rohrstutzenö zugefülirte Gas längs der stiftfürmigen Kathode 1 in den zwischen Kathode 1 und Anode 1.3 sich ausbildenden Brennraum zu führen.

Zur Halterung dieser Teile dienen der Befestigungsflansch 7, die Befestlgungshülse 8 und die Führungshülse 9«

Zwischen der Führungshülse 9 und der Anode 13 ist die Drallbüchse 11 eingebaut, die mit tangential einmündenden_; mit einem Ringkanal in Verbindung stehenden Schlitzen versehen ist. In diesen Ringkanal wird durch Rohrstutzen 12 zusätzlich Gas eingeblasen.

Die Anode 13 ist auf der Zeichnung als Hohlzylinder dargestellt Sie ist mit dem Kühlwassermantel 14 umgeben, dem durch Rohrstutzen 15 Kühlwasser zugeführt wird, das durch Rohrstutzen 16 wieder austreten kann.

Die koaxial zur ganzen Anordnung vorgesehenen Erregerspulen 17 eines Elektrodenmagneten liefern das zum Betrieb erforderliche elektromagnetische Feld.

Der Pfeil 18 gibt die Sichtung des Austritts des hocherhitzten atomaren Gases an.

Die stiftförmig^ Kathode 1 besteht aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise Wolfram, Tantal oder aus Kohlenstoff. Sie wird durch das zwischen dem äusseren Hantel 2 und dem inneren Mantel 3 durchgeleitete Kühlwasser sowie durch das zwischen ihr und dem inneren Mantel 3 bzw. der Führungshülse 9 durchgeleitete Gas gekühlt, Soweit mit Abbrand des Kathodenmaterials zu rechnen ist, kann die Kathode in bekannter Weise selbsttätig nachgeführt werden.

Die zur Halterung der Anordnung vorgesehenen Teile, der Befestigungsflansch 7, die Befestlgungshülse 8 und die Führungshülse 9 bestehen aus einem elektrisch isolierenden, wämebe-

ständigen Material. Sie sind so angeordnet, dass sie thermisch möglichst wenig "belastet werden.

Der gut wärmeleitende Wasserstoff leitet im allgemeinen die im Lichtbogenraum freiwerdende Joule'sehe Wärme so rasch in radialer Richtung an die Wände a"b, dass nur ein geringer Teil dieser Energie für die Aufheizung des Gasstrahles zur Verfügung steht. Damit hängt die rasche Zerstörung der aus schlecht wärmeleitenden Werkstoffen "bestehenden Teile in der Nähe der Lichtbogensäule zusammen. Dieser Mißstand wird gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass in der unmittel"baren Umgebung der Lichfbogensäule nur relativ gut wärmeleitende Werkstoffe aus der Gruppe der elektrischen Isolierstoffe Verwendung finden, wie beispielsweise Magnesiumsilikat enthaltende Keramik (Steatit) oder Sinterkorund.

Beim Umsatz grosser Leistungen ist es vorteilhaft, zusätzlich zur Einführung des aufzuheizenden Gases längs der Kathode noch einen Teilstrom dieses Gases tangential an die Innenwand der Anode zu führen, wo sich dann eine rasch rotierende Gasschicht ausbildet, die eine örtliche thermische Überlastung der Anodeninnenwand verhindert.

Die Anode ist ein vorzugsweise aus Kupfer gefertigter, wassergekühlter Hohlzylinder, ggf. auch eine ebensolche Düse, deren Innenseite die Wandung des Brennrauries" bildet, Sie ist durch .die Möglichkeit des Entstehens scharfer Brennflecken, die zu örtlicher überhitzung der Innenseite führen, besonders gefährdet. Maßnahmen zur Verhütung des Entstehens solcher Brennflecken und zur Verringerung der im zeitlichen Mittel auftretenden thermischen Beanspruchung der Plächenelemente der Innenseite sind daher unerlässlich.

Diesem Ziele dient einmal die angewandte hohe Gasgeschwindigkeit, die in Verbindung mit einer sich auf der Innenseite der Anode ausbildenden turbulenten Grenzschicht zum Zerblasen etwaiger Brennflecken beiträgt.

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Diesem Ziele dient zum anderen Haie die tangentiale Einführung eines zusätzlichen Gasstromes durch die Drallbüchse, die das Entstehen einer rasch rotierenden Gasschicht auf der Anodeninnenseite hervorruft.

Schliesslich kann der Lichtbogen noch durch Anwendung eines axial gerichteten Magnetfeldes in Rotation versetzt werden. Diese Maßnahme ist an sich bekannt. Wird das aufzuheizende Gas bereits durch seine tangentiale Einführung in Drehung versetzt, so wird das Magnetfeld zv/eckmäsaig so gepolt, dass es diese Drehbewegung unterstützt. Wird dagegen Gas bei eingeschaltetem Magnetfeld nur axial eingeblasen, so wird eine Drehbewegung des Lichtbogens nur durch die elektromagnetischen Kräfte erzeugt.

Von besonderer Bedeutung dabei ist auch, dass die trotz der ) 15 hohen Gasgeschwindigkeit sich möglicherweise noch bildenden j Mikrobrennflecke an der ringförmigen Elektrode durch das ■ Magnetfeld mit hoher Umlauffrequenz auf der Elektrodenoberfläche herumgetrieben werden, so dass im zeitlichen Mittel eine geringe Stromdichte für jedes Oberflächenelement resultiert.

Versuche haben ergeben, dass Anordnungen nach dem erfindungsgemässen Verfahren sich im großtechnischen Maßstab im Dauerbetrieb bewähren.

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Claims (1)

1. P.A. 048 576*22.1.60

   1· Torrlehtuag but Aufheizung «Ines Gasstromes in großtechnischem Maßetab in einer aus einer gekühlten» stabförmige^ Kathode und einer ebenfalls gekühlten ring* oder düsenföraigen, konzentrisch zur Kathode angeordneten Anode bestehenden Xichtbogenanordnung unter Einblasung des aufzuheizenden &ases in den Brennraum und Anwendung eines axial gerichteten Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet» dass in &9T unmittelbaren Umgebung &er Lichtbogensäule nur relativ gut wärmeleitende Werkstoffe aus der Gruppe elektrischer Isolierstoffe verwendet werden» beispielsweise Steatit oder Sinterkorund«

   2» Vorrichtung nach Anspruch 1₉ dadurch geknnaelehnet, dass zur tangentiale» Einleitung eines zusätzlichen Gasstromes in den Brennraum ror der Anode und koaxial zu ihr eine Drallbüchse angeordnet 1st»