DE1932703C - Plasmareaktor - Google Patents

Description

(I) erzeugten Plasmastrahls verjüngt. der Elektrodenwerkstoff in chemische Reaktion

6. Piasmarcaktor nach einem der Ansprüche 1 35 treten kann.

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode Unter Hochspannungsentladungs-Verhältnissen ist

(II) eine gekühlte Spirale aus nichtmagnetischem die Behandlung von Stoffen, die dem Plasma eine Werkstoff ist. hohe elektrische Leitfähigkeit verleihen, unmöglich,

7. Plasmareaktor nach Anspruch 6, dadurch da die hierbei auftretenden hohen Stromstärken sogekennzeichnet, daß die Anode (11) gleichzeitig 40 wohl die Elektroden als auch die Stromversorgung die Wicklung des Solenoids ist, dessen Joch aus gefährden.

aus einem magnetischen Werkstoff besteht. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-

8. Plasmareaktor nach Anspruch 7, dadurch gründe, einen Plasmareaktor zu schaffen, der gegengekennzeichnet, daß das magnetische Joch (12) über den bekannten Plasmareaktoren eine größere gleichzeitig der Kühlmantel des Plasmareaktors ist. 45 räumliche Ausdehnung und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung des Gasentladungsplasmas aufweist, mit niedrigen Eniladungsspannungen arbeitet, die einfache Behandlung von dispersem Ausgangsmaterial

gestattet und die Behandlung von Werkstoffen er-

J3 möglicht, die dem Plasma eine hohe Leitfähigkeit verleihen. Dieser Plasmareaktor soll gegenüber den bekannten Vorrichtungen dieser Au den Vorteil einer

Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor mit höheren Stoffumwandlung und eines geringeren einer Ringanode zur Herbeiführung von chemisch- Energieverbrauchs je Einheit des behandelten Pro physikalischen Stoffumwandlungen in einem Licht- ss dukts haben.

bogen-Gasentladungsplasma, bei dem im Reaktions- Diese Aufgabe wind erfindungsgemäß dadurch geraum eine stabilisierte Lichtbogen-Gasentladung im löst, daß ein aus einer linearen Bogenkammer in die Magnetfeld einer Spule brennt. Derartige Plasma- Reaktionskammer austretender Plasmastrahl mit der reaktoren wenden unter den Verhältnissen des Nie- Achse der Ringanode zusammenfällt und die zu diedertempcraturplasmas bei der Durchführung von 60 ser Ringanode gehörende Kathode darstellt, wobei chemischen und metallurgischen Prozessen ver- zwischen der Ringanode und dem Plasmastrahl eine wendet. das gesamte Reaktionsvolumen des Plasmareaktors

Aus der USA.-Patentschrift 3 051639 ist ein ausfüllende Gasentladung stattfindet
Plasmalichtbogenreaktor bekannt, bei dem der Licht- Dabei kann die Anode der linearen Bogenkammer

bogen zwischen koaxial liegenden gekühlten Elektro- 65 gleichzeitig die Stromzuleitung der Kathode des den brennt und im Kraftfeld eines außenliegenden, Plasmareaktors bilden.

koaxial zur Anode angeordneten Solenoids umläuft. Vorzugsweise ist die den Plasmastrahl (die Ka-

Die ?x> behandelnden Stoffe werden durch den Licht- thode) erzeugende lineare Bogenkammer so ausgebil-

det, daß ihre Entladungskanal wände aus elektrisch Eine Abwandlung der Hauptausführungsform des

isolierten, gekühlten Abschnitten (Kaskadenbogen- Plasmareaktors ist in F i g. 3 gezeigt. kammer) oder aus einer Elektrodenzwischenlage aus Der Plasmareaktor besteht hier grundsätzlich aus

einem Dielektrikum bestehen. einer linearen Bogenkammer 1 mit einer Elektroden-

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform 5 zwischenlage 2Γ aus einem Dielektrikum. Die Bogendes Plasmareaktors ist dessen Ringanode in Form kammer erzeugt einen Plasmastrahl bzw. dient als eines sich in der Fortpflanzungsrichtung des Plasma- Vorionisator für den Raum 6. AIa Anode des Plasmastrahls verjüngenden Kegels ausgebildet. reaktors dient eine gekühlte Spirale 11 aus nichtma-Vorteilhaft ist ferner die Ausbildung der Anode gnetischem Werkstoff. An Stelle des üblichen SoIedes Plasmareaktors in Form einer gekühlten Spirale io noids mit gepanzertem Magnet, der ein großes Wickaus einem nichtmagnetischen Werkstoff. Eine solche lungs- und Jochgewicht hat. wird hier die Spirale Il Spiralanode kann gleichzeitig als Wicklung des Sole- als Kraftfelderzeuger benutzt, während das gekühlte noids, dessen Kern magnetisch ist, dienen. Der ma- Gehäuse des Reaktors als Joch der Solenoidwicklung gnetische Kern kann gleichzeitig als Kühlmantel des dient. Im unteren Teil des Plasmareaktors ist wieder-Plasmareaktors dienen. i₅ um eine Härtungsvorrichturig 7 vorhanden.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Aus- Ein Schaltungsbeispiel der Stromversorgung des

führungsbebpiele wird die Erfindung im folgenden Plasmareaktors ist aus F i g. 4 ersichtlich.

näher erläutert. Es zeigt Die Bogenkammer hat eine indiviuelle Strom-

Fig. 1 einen Plasmareaktor mit Zylinderanode in quelle 13. Der Stromkreis der Bngenkammer win!

Gesamtansicht, _3O durch Leitungen 14. 15. eine cathode 16, Jine.i

Fig. 2 eine weitere Ausführungsmöglich.ceit für Lichtboeen 17 und eine Hauptanode 18 gebildet. F.irv

den Plasmareaktor, wobei die Anode die Form eines über einen Widerstand 20 an einem Pol der Strom-

Kegels bzw. einer Lavaldüse hat, quelle 13 liegende Hilfsanode 19 ermöglicht J ie Em

F i g. 3 die Gesamtansicht eines Plasmareaktors leitung kr Entladung (die Erzeugung der Anfangs-

mit Spiralanode, 25 leitfähigkeit des Gases im Bogenkammerkanal). Zwi-

Fig. 4 das elektrische Schaltbild eines Plasma- sehen der Hilfsanode 19 und der Hauptanode 18 der

reaktors mit getrennter Stromzuführung zur Anode Bogenkammer 1 befinden sich die elektrisch isolierten

der Bogenkammer und Kathode des Plasmareaktors, gekühlten Abschnitte 21 (Fig. 1, 2) bzw. ein Elek-

Fig. 5 das elektrische Schaltbild eines weiteren trodenzwischen^tück 21' (Fig. 3). Plasmareaktors, bei dem die Anode der Bogenkam- ro Leitungen 22. 23 (Fig. 4), ein Kontakt 24, der mer und die Kathode des Plasmareaktors eine ge- Plasmastrahl 2, der Entladungsraum 6, die Anode 3 meinsame Stromzuführung haben. (Fig. 1) bzw. 9 (Fig. 2) bzw. 11 (Fig. 3) bilden

Wie die Zeichnung erkennen läßt, ist der Hauptteil einen zweiten elektrischen Stromkreis des Plasmades Plasmareaktors eine in Abschnitte unterteilte reaktors, der eine eigene Stromversorgung 25 (Fig.4) Kaskadenbogenkammer 1 (Fig. 1), die einen Plasma- 35 besitzt. Die Stromquelle 25 hat eine beträchtlich strahl 2 erzeugt. Dieser Plasmastrahl dient als Ka- höhere Leistung als die Stromquelle 13, die ein thode des Plasmareaktors und fällt in seiner Achse Gleichstromgenerator ist, da der letztere praktisch mit der einer ilinganode 3 zusammen, die vom Ge- nur die Vorionisierung des Raumes 6 zur Aufgabe hause 4 des Plasmareaktors elektrisch isoliert ist. hat. Die Stromquelle 25 kann sowohl ein Gleich- als S mn Gehäuse 4 bildet ein wandgekühlter Zylinder aus 40 auch ein Wechselstromgenerator sein. Die Wicklun- !■chtmagnetischem Werkstoff. Ein außenliegendes gen des Solenoids S sind entweder an den Generator Solenoid 5 erzeugt ein Kraftfeld, dessen Vektor quer 13 oder an den Generator 25 angeschlossen. Das zum elektrischen Feldvektor steht Der eine Gas- Solenoid kann auch eine eigene Stromversorgung kathode bildende Plasmastrahl 2 und die Anode 3 haben. .

begrenzen einen Raum 6 (Fig. 1, 2), in dem sich die 45 Eine weitere Ausführungsform der oben beschneräumliche Entladung abspielt. Unten befindet sich im benen Schaltung ist in F i g. 5 dargestellt. Bei dieser Plasmareaktor eine Einfri-reinrichtung 7, die die Ein- Schaltung ist der Kontakt 24 (F i g. 4) der Leitung 22 leitung des kalten Kühlgases durch einen Eintritts- mit der Anode 18 der Bogenkammer 1 vereinigt, was stutzen 8 (F :g. 1) in das Reaktorinnere ermöglicht. konstruktiv eine Vereinfachung bedeutet. Ein wei-Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Plasma- 50 terer Vorteil dieser Lösung ist der Wegfall einige, reaktors ist in F i g. 2 gezeigt. Der Plasmareaktor be- hilfsDaugruppen, die mit dem Plasmastrahl 2 konsteht wiederum aus einer in Abschnitte unterteilten taktieren müssen. _i Kaskadenbogenkammer 1, die einen als gasförmige Der Generator 13 liegt bei einer solchen Schaltung Kathode wirkenden Plasmastrahl erzeugt, wobei die in dem Stromkreis, der durch die Leitungen 14, 15, Kathodenachse mit der Achse der Anode 9 zusam- 55 die Kathode 16, den Lichtbogen 17 und die Anode menfällt. Die Anode 9 dient gleichzeitig als Wandung 18 gebildet wird. In diesem Stromkreis ist auch ein des Plasmareaktors und besteht aus einem nichtma- Widerstand 26 (Fig. 5) vorgesehen, gnetischen Werkstoff. Außerhalb des Reaktors be- Der von den Leitungen 15, 23, der gasformigen findet sich ein Solenoid 5, dessen magnetischer Feld- Kathode 2, dem Raum 6 der Anode 3 bzw. 9 bzw. Stärkevektor senkrecht zum elektrischen Feldstärke- 60 H gebildete Stromkreis des Plasmireaktors ist an vektor steht. Beim Anlegen einer Spannung entsteht den Generator 25 angeschlossen. zwischen dem Plasmastrahl 2 und der Anode 9 eine Das Solenoid kann sowohl an den Generator 1J elektrische Entladung, d^:« den Raum 6 beaufschlagt. als auch an den Generator 25 angeschlossen werden Die als Reaktorgehäuse dienende Anode 9 hat die oder auch eine eigene Stromversorgung 2 # haben. Form eines sich in der Entwicklungsrichtung des 65 Die Bogenkammer wird in allen Fällen von einer Plasmastrahls 2 verjüngenden Kegels. Im unteren Zündeinrichtung 28 ausgelöst. Teil des Plasmareaktors befindet sich wiederum eine Der oben beschriebene chemische PlasmareaKiui Gaseinfriervorrichtung 7. hat folgende Wirkungsweise.

5 ^6

Bevor der Reaktor eingeschaltet (in Betrieb gc- vorhanden, so wird dem Eleklronenslrom seine Encr-

setzt) wird, evakuiert man seinen Innenraum bis un- gie teilweise entzogen und zur Stoffumwandlung vcr-

ter K)² mm QS und füllt ihn mit einem plasmabil- wertet.

dcnden Gas, bis zu einem Druck von höchstens Steigt nun die elektrische Feldstärke im Raum 6 IO mm QS. Sodann wird in die Bogenkammer 1 eine 5 wesentlich über die Feldstärke in der Lichtbogenplasmabildende Gasströmung durch einen Stutzen 29 säule 17 der Bogenkammer 1 hinaus, so beginnt die (Fig. 1, 3) eingeleitet. Dieses Gas wird von der Va- kalte Anode 18 Elektronen zu emittieren. Diese kuumpumpe laufend abgesaugt, und zwar mit einer Elektronen fließen von der Anode 18 der Bogenkam-Geschwindigkeit, bei der der Druck im Reaktor un- mer 1 ab. Ein solcher Vorgang läßt sich als Entlater 10 mm QS liegt. Der elektrische Teil des Reak- io dung zwischen kalten Kathoden auffassen. Der eintors wird folgendermaßen eingeschaltet. Zunächst zige Unterschied besteht darin, daß die Entladung wird zwischen der Kathode 16 der Bogenkammer und unter diesen Verhältnissen bei niedrigen Spannungen der Zündanode 19 eine Entladung von der Zündein- vor sich geht.

richtung 28 (Fig. 5) eingeleitet, die im Kanal 21 der Eine Besonderheit der Teilchenbewegung in den

Bogenkammer 1 eine Anfangsionisation erzeugt. So- 15 sich kreuzenden, rotationssymmetrischen elektrischen

darm wird an die Hauptanode 18 der Bogenkammer 1 und magnetischen Feldern ist die Abhängigkeit d<r

die vom Generator 13 erzeugte Spannung angelegt Bewegungsgeschwindigkeit der Plasmatcilchen vom

und damit die Erzeugung des als gasförmige Kathode Krümmungsradius der Bewegungsbahn. Diese Beson

dienenden Plasmaslrahls 2 eingeleitet. Weiter wird derheit führt zu einer unregelmäßigen Rotationsbt

der Elektromagnet 5 erregt und der Generator 25 ein- ao wegung durch turbulente Durchmischung der Plasma

geschaltet. Dadurch entsteht im Raum 6 eine räum- schichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Da

liehe DifTusionsentladung, bei der ein Plasma ent- durch wird das Geschwindigkeitsfeld im Raum 6 aus

steht. geglichen.

Mit der Einschaltung der Gaszufuhr in die Ein- Die durch den Eingabestutzen 30 eingeführte»

friervorrichtung ist der Piasmarcaktor betriebsbereit, as Stoffe werden vom Plasma mitgenommen und in den

Die zu behandelnden dispergieren, gasförmigen oder Vorgang der Plasmaerzeugung miteinbezogen, indem

flüssigen Stoffe werden durch einen Stutzen 30 in den sie in Atome zerlegt und ionisiert werden. Gleich

Reaktor eingegeben. zeitig v/ha auch die Leitfähigkeit 'les Plasmas beein

Der Innendruck in dem in Fig. 1, 2 gezeigten flußt. Dabei wird für die chemisch physikalischen

.liL-ii Ge- 30 IJnrvvänu'iüngci'i nicht nur die Wärmeenergie des

py

wird nach dun icvliiiulogiiLliL-ii Gc- 30 Umwandlungen nicht nur die Wärmeenergie d Sichtspunkten gewählt und kann bei 1 ata oder dar- Plasmagases, sondern auch die Energie der Elemenunterlicgen. tarteilchen (Elektronen, Ionen) ausgenutzt. Dies trägt

Bei der kegelförmigen Anode 9 (Fig. 2) ergibt zur höheren Wirksamkeit des Piasmarcaktors, Herabsich eine bessere Energieverteilung über die Anoden- Setzung der Wärmeverluste in den Elektroden und fläche und eine größere Verweilzeit der größeren 35 zur Steigerung des Wirkungsgrades der Energieum-Teilchen bei Behandlung von dispergiertcn Stoffen im Wandlung bei.

Plasmafeld. Die Behandlungszeilverzögerung kommt Der Plasmareaktor nach Fig. 3 läßt sich auch mit

auf Grund der Trennwirkung der trichterförmigen Überdruck betreiben. Es ist bekannt, daß eine Diffu-Geräte zustande, die bei Drehung des Plasmafeldes sionsentladung bei Dnicksteigerung sich zu einer durch Lorentz-Kräfte (infolge der Zusammenwirkung 40 Lichtbogenentladung kontrahieren kann. Eine konzwischen dem sich kreuzenden elektrischen und ma- trahierte Lichtbogenentladung zwischen dem Grundgnetischen Feld) hervorgerufen wird. teil des Plasmastrahls 2 (der Anode 18 der Bogen-

Eine räumliche Niederspannungscntladung kommt kammer 1) und einer Windung der Spiralanode II im Plasmareaktor dadurch zustande, daß der Raum wandert unter der Wirkung der Lorentz-Kräfte in der zwischen Plasmastrahl 2 und Anode 3 (Fig. 1) 45 Längsrichtung der Anode zu ihrem engeren Teil. Die bzw. 9 (Fig. 2) bzw. 11 (Fig. 3) mit elektrisch lei- resultierende Bewegung eines Einzcllichtbogens setzt tendem Gas ausgefüllt wird. Bei Anlegen der vom sieh aus einer Drehung um die Achse der Anoo«; 11 Generator 25 erzeugten Spannung an diese Elektrode und einer Verschiebung in Richtung der Spiralentsteht ein geschlossener Stromkreis, und das Mc- anodcnachse zusammen. In jedem Augenblick sind dram im Raum 6 gebt in den Plasmazustand über. s<> mich viele zusätzliche Lichtbögen an verschiedenen

Zur Behandlung einiger Stoffe sind Betriebs™- Windungen der Spirale im Nebenschluß zum Hauptstände des Plasmareaktors erforderlich, bei denen die lichtbogen vorhanden. Diese Lichtbögen bewegen elektrische Feldstärke in der Lichtbogensäule 17 der sich in der gleichen Weise durch den Raum 6 und Bogenkammer 1 und im Raum 6, wo sich die Ent- tragen zur Füllung des Raumes 6 mit Plasma bei ladung abspielt, gleich werden können. In diesem 55 höheren Drücken bei.

Zustand wird durch die Anode 18 der Bopenkam- Wie die obigen Darlegungen erkennen lassen, hat

mer 1 kein Strom vom Generator 25 aufgenommen, der vorgeschlagene Plasmareaktor zur Durchführung und die Elektronen aus der Kathode 16 gelangen in von chemischen und physikalischen Stoffumwandden Raum 6. hingen unter Verhältnissen des Niedcrtemperatur-

Die Elektronen und Ionen bewegen sich unter der 60 Plasmas eine relativ große räumliche Ausdehnung Wirkung der sich kreuzenden elektrischen und ma- und eine geringe Anisotropie des Temperatur- und gnctischcn Felder in dei azimutalen und radialen Geschwindigkeitsfeldes des Plasmas. Diese Vorteile Richtung. Da die Relaxationszeit der Elektronen im tragen zur Steigerung der Güte der Stoffumwandlun-Raum6 beträchtlich kleiner ist als die Zeit, in der gen und zur Herabsetzung der Wärmcvcrluste bei. sie die Anode 3 bzw. Il erreichen, tritt eine lonisic- 65 Div räumliche Entladung erfolgt bei niedrigen Spanning des Gases durch die Elektronen auf. wodurch nungen und kalten Elektroden, und die gasförmige der Raum zwischen den l:!ektn«den leitfähig wird. Plasmakathode übt Leine korrodierende Wirkung aus. Ist im Raum 6 der behandelte Stoli im Plusma/irstand De? Piasmarcaktor ist imstande Stoffe zu behandeln.

die dem Plasma cine hohe Leitfähigkeit verleihen, ohne einen Kurzschluß bzw. eine Überbrückung der Entladung zu verursachen. Der spezifische Energieverbrauch je Mengeneinheit des Produktes wird niedriger, da der behandelte Stoff im Raum, wo sich die räumliche Entladung abspielt, die Energie unmittelbar den geladenen Teilchen entnimmt.

Die Bogenkammer mit dem in Abschnitte unterteilten Kanal bzw. mit einem Elektrodcnzwischcn-

stück läßt sich auch auf dem ansteigenden Ast ihrer Stromspannungskennlinie betreiben, was die Wirtschaftlichkeit der Energieausnutzung erhöht.

Die im Plasmareaktor angewandte Spiralanode ermöglicht es, Plasma mit beträchtlicher räumlicher Ausdehnung unter Überdruck zu erhalten und den Piasmarcaktor in einem weiten Druckbereich rwischen 1 mm QS und Überdruck bei vielen technologischen Prozessen mit Plasmaausnutzung einzusetzen,

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

3096:

Claims (5)

1 2 bogen geschickt und am Austritt der Reaktionszone Patentansprüche: einem Einfrieren unterzogen. Aus der deutschen Auslegeschrift 1 206 531 ist fer-

1. Plasmareaktor mit einer Ringanode zur Her- ner ein Lichtbogenofen bzw. Plasmareaktor mit einer beiführung von chemisch-physikalischen Stoffum- 5 Hohlkathode bekannt, in der sich ein von einem Wandlungen in einem Lichtbogen-Gasentladungs- Gaswirbel stabilisierter Gleichstrombogen bildet. Um plasma, bei dem im Reaktionsraum eine stabili- den Abbrand an der Hohlanode zu verringern, kann sierte Lichtbogen-Gasentladung im Magnetfeld ein Magnetfeld zur Verschiebung des Anodenbrenneiner Spule brennt, dadurchgekennzeich- fleckes verwendet werden. Bei diesem Lichtbogennet, daß ein aus einer linearen Bogenkammcr io ofen läßt sich disperses Ausgangsmaterial nur schwer (1) in die Reaktionskammer (6) austretender bearbeiten.

Plasmastrahl (2) mit der Achse der Ringanode Bei beiden bekannten Plasmareaktoren hat die von

(3, 9, 11) zusammenfällt und die zu dieser Ring- der.i im magnetischen Feld umlaufenden Lichtbogen anode gehörende Kathode darstellt, wobei zwi- erzeugte Heizzone eine ungleichmäßige Temperaturschen der Ringanode und dem Plasmastrahl eine 15 verteilung in der zu der durch den Lichtbogen gebildas gesamte Reaktionsvolumen des Plasma- deten Plasmaschicht senkrechten Richtung. Hin weireaktors ausfüllende Gasentladung stattfindet. terer Nachteil liegt in der relativ geringen räumlichen

2. Pfasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch Ausdehnung der Heizzone. Daher ist die Verweüzeit gekennzeichnet, daß die Anode (18) der Bogen- der behandelten Stoffe im Hochtemperaturplasma kammer (1) gleichzeitig die Stromzuleitung der 20 und die davon abhängige Tiefe der Stoffumwandlung Kathode des (2) des Plasmareaktors ist. besonders bei pulvrigen Werkstoffen unzureichend.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, da- Darüber hinaus erfordern die mit einem korrodiedurch gekennzeichnet, daß die Wände der Bogen- renden Medium in Berührung stehenden Metallkammer (1) aus elektrisch isolierten, gekühlten elektroden eine wirksune Kühlung, die ihre Zerstö-Abschnitten(2I) bestehen. 35 rung besonders bei großen Betriebsströmen verhin-

4. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, da- dem soll. Man ist daher oft gezwungen, die Lichtdurch gekennzeichnet, daß die Wände der Bogen- bogenentladung bei geringen Stromstärken, jedoch kammer (1) am. einer Elt-ktrodenzwischenlage hohen Spannungen zu verwirklichen. Dabei muß aber (2V) aus einem Dielektrikum bestehen. ein komplizierterer Aufbau der elektrischen Isolie-

5. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche I 30 rung des Plasmareaktors in Kauf genommen werden, bis 3, dadurch gekennzeichnet, f*aß die Ring- Eine andere Lösung, die sich für niedrigere Lichtanode (9) kegelförmig ist und sich in der Fort- bogenspannungen eignet, sind die verzehrbaren Elekpflanziungsrichtung des von der Bogenkammer troden. Ihr Einsatz ist aber nur dann möglich, wenn