DE1933306A1

DE1933306A1 - Hochdruck-Plasmabrenner

Info

Publication number: DE1933306A1
Application number: DE19691933306
Authority: DE
Inventors: Helmut Forster; Gebel Dipl-Ing Rudolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-01
Filing date: 1969-07-01
Publication date: 1971-02-04
Also published as: BE752676A; ZA704321B; ES381278A1; NL7008865A; AT299403B; DE1933306B2; FR2050422A1; SE351766B; US3601578A; GB1304957A; CH509721A; FR2050422B1

Description

Hochdruck-Plasmabrenner -:'".' ■""., . ; :^; - ..'"";' ■

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner vom Typ Gaserhitzer, dessen Lichtbogenkammer mit de,n.Elektroden,fxir den' Lichtbogen . eine Ausströmungsdüse für aufgeheiztes und ionisiertes' Arbeitsgas aufweist und indessen hitzebelasteten Teilen Kühlkanäle ausgebildet sind, die in einem geschlossenen Kühlkreislauf liegen.

Durch besondere Maßnahmen können Plasmabrenner vom Typ Gaserhitzer als Hochdruck-Plasmabrenner ausgelegt werden. Solche Plasmabrenner, die mit hohem Betriebsdruck arbeiten, eignen sich zur Versorgung -von Windkanälen für Versuhe der Raumfahrttechnik,; insbesondere um den Wiedereintritt von Plugkörpern in die Erdatmosphäre zu simulieren. Außerdem können solche Plasmabrenner in der Chemie eingesetzt werden.

Bei Hochdruck-Plasmabrennern war es bisher üblich, den Kühlmitteldruck durch Pumpen aufzubringen. Bei der Erfindung wird von der Einsicht ausgegangen, daß bei einem Kühlmitteldruck unterhalb des Betriebsdrucks in der Lichtbogenkammer bei Leekstellen in hitzebelasteten Bauteilen ionisiert eis, Arbeitsgas bzw. Plasma in die schadhaften Stellen eindringen und größere Schaden verursachen kann." Andererseits erfordert es einen erheblichen Pumpen

aufwand und

es sind vielfältige Schwierigkeiten zu überwinden,

um bei Hochdruck-Plasmabrennern den Kühlmitteldruck auf einen Wert oberhalb des.Betriebsdrucks in der Lichtbogenkammer einzustellen. Darüber hinaus sind beim Anfahren und Abfahren des Plasmabrenners dann weitere Schwierigkeiteri zu bewältigen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und die-.Wirtschaftlichkeit- und Sicherheit der Anlage zu erhöhen. Insbesondere wird angestrebt, beim Anfahren, während des Betriebs und beim Abfahren des Plasma-: brenners den Kühlmitteldruck synchron zum Betriebsdruck in der ■ Lichtbogenkammer zu halten und an jeder Kühlstelle den Druck ^: zumindest etwas oberhalb des Betriebsdrucks in der Lichtbogenkammer aufrechtzuerhalten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird dadurch erzielt, daß die Lichtbogenkammer druckfest ausgebildet ist und über eine Druck·- .: leitunp; und einen Drucktransmitter mit dem Kühlkreislauf in ' Druckübertragung steht. Das Kühlmittel wird dadurch zusätzlich ständig mit dem Betriebsdruck in der !lichtbogenkammer abgedrückt. Der von der Umwälzpumpe aufzubringende Druck, der sich bis zum Rücklauf in . d33 Pumpe abbaut, kann klein gehalten werden.

Die vorgeschlagene Lösung weist unter anderem folgende wesentliche Vorteile auf: Da die Druckdifferenz zwischen Kühlmittel und Betriebsdruck in der Lichtbogenkammer klein gehalten werden kann, lassen sich die Wände zwischen Kühlkanälen und der Innenseite der Betriebsräume dünnwandig ausbilden, was neben einer Materialer-; spamis eine gute Kühlung gewährleistet. Außerhalb der Strahlungsbereiche können; auch Kühlmittelschläuche eingesetzt werden, da ■-ein Zusammendrücken der Schläuche nicht zu befürchten ist. Weiter·*. hin ist sichergestellt, daß bei Leckstellen, in den hitzebeiaste-* ten Bauteilen nur Kühlmittel austreten kann. Schließlich hat ν die Kühlmittelpumpe nur die Umwalz-arbeit aufzubringen.

Eine wesentliche Ausgestaltung des Hochdruck-Plasmabrennersnach der Erfindung besteht darin, daß zumindest eine der beiden Elektroden zur Veränderung des Elektrodenabstands in einer Halterung beweglich gelagert ist, die als Absehluj3platte einer Stell-*

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kammer mit der Länge des Verstellbereichs der Elektrode ausgebildet ist, daß die Stellkammer mit der Lichtbogenkammer in Druckverbindung steht und einen Motor in Eingriff auf einen Stelltrieb enthält und daß Versorgungsleitungen durch die Stellkammerwand fest durchgeführt sind. " . -

Durch eine solche Stellkammer, die auf gleichem Druck wie der Betriebsraum der Lichtbogenkammer gehalten wird, erzielt man eine druckentlastete Elektrodenverschiebung und vermeidet Diehtungsprobleme bei der Elektrodenhalterung. Auch eine Dichtung für den Stelltrieb entfällt,da der Motor innen in der Stellkammer angeordnet ist. Die Konzeption der Stellkammer führt zusammen damit, daß das Kühlmittel mit dem Betriebsdruck in der

zu Lichtbogenbrennkammer beaufschlagt wird,/weiterenVorteilan: Die Versorgungsleitungen zur beweglichen Elektrode - für Kühlmittel und Stromversorgung - müssen nicht starrwandig ausgebildet sein und. durch die Wand beweglich durchgeführt werden, sondern man kann Schläuche verwenden sowie feste Durchführungen und vermeldet insgesamt jegliche bewegliche Abdichtung gegen Hochdruck.

Es ist vorteilhaft, die Elektroden im wesentlichen als zylindrische Ringe auszubilden, die axial gegenüberstehend angeordnet sind und Magnetspulen enthalten, die bei Betrieb den Lichtbogen rotieren lassen. Das Magnetfeld wird dadurch im Bereich hoher Induktion an die Lichtbogenfußpunkte herangeführt. ■ · -

Es ist weiterhin günstig, eine Hauptzuleitung für Arbeitsgas zwischen den Elektroden münden zu lassen. Den Anforderungen entsprechend kann sie mehr tangential, radial oder axial zur Ausströmungsdüse und gegen die Richtung der Ausströmung eingeführt sein.

"Der Drucktransmitter kann ein Ausgleichsgefäß sein, an das von oben die Druckleitung und von unten eine Kühlmittelfeitung ange-

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schlossen ist. Statt dessen kann als Drucktransmitter auch ein . Kolben in der Druckleitung verwendet werden.

Der Hochdruck-Plasmabrenner nach der Erfindung soll nun anhand der Zeichnung weiter erläutert werden.

In Fig. i ist ein Ausführungsbeispiel des eigentlichen Plasmabrenners im Längsschnitt und vereinfacht dargestellt.. -In Pig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Drucktransmitter, einen Kühlmittelkreislauf und die Druckleitung vom Plasmabrenner W zum Drucktransmitter schematisch wiedergegeben.

Der eigentliche Brenner des Hochdruck-Plasmabrenners nach Pig.- T besteht aus der Lichtbogenkammer 1, der Stellkammer 2, dem Brennerkopf 3 und dem Düsenkörper 4 mit der Ausströmungsdüse 5, die insbesondere als Lavaldüse ausgebildet sein kann. Der Innenraum bzw. Betriebsraum 6 der Lichtbogenkammer 1 steht über die Druckleitung 7 und den Drucktransmitter 8 mit dem Kühlmittel im Rohr 9 des Kühlmittelkreislaufes in Verbindung. Mit 10 ist die feststehende und mit 11 die bewegliche Elektrode bezeichnet. Beide Elektroden sind als zylindrische Ringe ausgebildet und stehen sich axial gegenüber. Sie enthalten Magnetspulen 12. Die Magnetspulen werden im Betrieb so erregt, daß sich ein Cusp-Feld aus-™ bildet, das den zwischen den Elektrodenstirnseiten 13 brennenden Lichtbogen \imlaufen läßt. Zur Stromversorgung ist für die Elektrode 10 der Anschluß 14 und für die Elektrode 11 das Zuleitungsrohr 15 vorgesehen, durch das gleichzeitig Kühlmittel zugeführt wird. Ein Profilring 16 aus Isoliermaterial, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Epoxyd-Harz, trennt das Potential, der festr stehenden Elektrode 10 und der beweglichen Elektrode 11.

Die Stellkammer 2 steht mit der Lichtbogenkammer 1 über am Umfang verteilt angeordnete Bohrungen 17 in Druckausgleich. Dazu können auch außen an den beiden Kammern Schlauchverbindungen

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vorgesehen sein. Die Stellkammer; 2 V wird im we3entliche.n.durch " den Kammermantel T&fdae^ B^ Ab^hlüß*-" _Λ-

plätte äusg6Mldtete■■■■■■^;Haϊte2?til^;;■|■Ό■:■■_lg#bl·M0*- In der .Halterung ist die Elektrode 11bewiglich gelagert * Der ferngesteuerte \- Motor 2t. wirkt auf ä&n Stelltrieb der Elektrode 11 ein,, der aus '■'■". einer Spindel .22UiId einem Stellkopf -23 bestehen kann» ißie ^! Spindel 22 ist in; der Bodenplatte 19;: und in/ del? Halterung 20 ge- ,;.\- lagert» iDas Zuleitung sr ohr 1:5 und- ein¹ weiteres in der Zeichnung ; nicht dargestelltes Anschlußrohr zur JCühlmittelableiturig können in der Bodenplatte 19 fest durchgeführt werden. Die Durchführung des Zuleitungsrohres 15 ist mit 24 beizeichnet« Durch ein Be- ; obachtungsfenster 25 in derBödenplatte kann bei Betrieb der Lichtbogen überwacht werden,wenn eine hinten, offene Elektrode ; - wie dargestellt- verwendet wirdi DasZuleitungsrohr 15,auf dem der Stromabnehmer 26 gleitet, Ist mit dem Anschlußschlaueh verbunden. ':'-.- ' ^;» ν '"-\ ,- λ,: -' ' -■ ·'*" ■

Die Lichtbogenkammer 1 wird weiter durch Easkaaenringe 28 und durch den als Verschlußplatte 2S ausgebildeten Elektrodenmantel der feststehenden Elektrode gebildet. Die Verschlußplatte 29 stellt' die elektrische Verbindung zwischen-"der Elektrode 10 und dem Anschluß 14 her. "■"..-.-.,■" .;■ . V ^; ,

Der Brennerkopf 3 besteht im wesentliehen ausdem Montagemantel· 30> den Distanzwäriden 31 und der Stirnplatte 32. Auf der Stirnplatte 32 ist der Düsenkörper 4 montiert, :

Die druckbeähspruchten Außenteile wie Kaskadenringe 28, Kammermantel 18 urid Montagemantel 30 können aus rostfreiem Edelstahl gefertigt sein. Die Teile,die elektrisch leitend sein sollen sowie die besonders hitzebelasteten und gekühlten Teile, wie die Elektroden Hzwv die Elektrodenmäntel· 33, können zweckmäßiger-weise aus Kupfer auggebildet sein.

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Beim Brennerkopf 3 wird Kühlmittel durch die Bohrung 34 eingeleitet, es durchströmt dann den Raum zwischen der Verschlußplatte 29 und einer Distanzwand 31, sowie den Spalt zwischen dem Elektrodenmantel 33 und dem Spulenkörper 12 und.fließt dann über den Kammerraum zwischen der Stirnplatte 32 und einer Mstangwand 31 sowie die Bohrung 35 ab. Weitere Kühlkanäle können in den Kaskadenring/2ö der Lichtbogenkammer 1 ausgebildet sein. Die Kühlmittelanschlüsse für die Magnetspule der beweglichen Elektrode sind mit 36 bezeichnet und abgebrochen wiedergegeben.--Zur Magnetspule der feststehenden Elektrode 10 führen die Kühlmittelanschlüsse 37. Die Düse 5 wird über die Anschlüsse

38 mit Kühlmittel versorgt.

Arbeitsgas wird· im Ausführungsbeispiel über die Hauptzuleitung

39 sowie über die Nebenzuleitungen 4-0 in die Lichtbogenkammer eingeleitet.

Nach Pig. 2 führt vom Plasmabrenner 41, beispielsweise nach Pig.1 ausgebildet, eine Druckleitung 7 zu einem hochgelegenen Ausgleichsbehälter 8, an den sie von oben angeschlossen ist. Der Ausgleichsbehälter 8 dient als Drucktransmitter und beaufschlagt mit dem Betriebsdruck im Innenraum der Lichtbogenkammer das Kühlmittel im Kühlkreislauf, der über die Leitung 9 unten am Ausgleichsbehälter angeschlossen ist. Der Ausgleichsbehälter ' <■ dient hier als Drucktransmitter. Der Ausgleichsbehälter kann, wie dargestellt, einm*.Sicherheitsüberdruckventil 42 und einen Niveauwächter 43 aufweisen. Der Niveauwächter schaltet beim Einfüllen des Kühlmittels beim Betriebsstand die Kühlmittelzufuhr ab und schaltet bei Betrieb die Gesaratanlage aus, sobald ein Minimalspiegel im Ausgleichsbehälter unterschritten wird, wie es bei Kühlmittelauslauf durch Leckstellen der Fall sein kann.

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Der Kühlmittelkreislauf besteht im wesentlichen aus der Ansch'lußleitung 44 für die Umwälzpumpe 45, der "Verteilerleitung 46, den einzelnen Kühlstrecken, der Sammelleitung 47 und der Rücklaufleitung 62. Von den Kühlstrecken führt beispielsweise 48 ^ zur beweglichen Elektrode, 49 zur festen Elektrode, 50 zur Magnetspule der beweglichen Elektrode, 51 zur Magnetspule der feststehenden Elektrode, 52 zu den Kaskadenringen der Lichtbogenkammer und 53 zur Ausströmungsdüse.

Mit 54 sind Steuerventile, mit 55 Mengenmesser und mit 56 Temperaturmesser, z.B. Thermoelemente, bezeichnet. Sie dienen im Ausfahrun,;sbeispiel zur Ermittlung der an das Kühlmittel abgegebenen Leistung, die sich aus Durchflußmenge und Temperatardifferenz von Einlauf und Ablauf an den Kühlstrecken ergibt. Aus der Differenz zur aufgewandten elektrischen Leistung läßt sich die an das Arbeitsmedium abgegebene Leistung bzw. der Wirkungsgrad ermitteln.

Um das Kühlmittel rückzukühlen, -ist im Ausführungsbeispiel der .Wärmetauscher 57 mit dem Kreislauf 58 sowie ein Wärmetauscher

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mit Frischwasserzufuhr bei 60/ die von der Rückläuftemperatür, wie sie das Thermoelement 61 mißt, abhängig gesteuert wird*

Bei einem Betriebsdruck von 50 atü in der Lichtbogenkammer und einer Ausströmungsdüse von 3 mm Durchmesser an der engsten Stelle kann die Pumpenleistung im Kühlkreislauf für 10 atü ausgelegt sein. Der Kühlwasserdruck liegt dann vor der Umwälzpumpe bei t>0 atii und hinter der Umwälzpumpe sinkt er bedingt durch die Strömungsreibung auf 50atü ab. Für ein solches Ausführungsbeispiel kann die Brennerleistung auf 500 kW und der Durchsatz an Arbeilsgas auf 50 g/s ausgelegt sein.

6 Patentansprüche ■

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Claims

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V-- 8 Patentansprüche .

Plasmabrenner vom Typ Gaserhitzer, dessen Lichtbogenkammer mit den Elektroden für den Lichtbogen eine Ausströmun;i,sdüse für aufgeheiztes und ionisiertes Arbeitsgas aufweist und in des.sen hitzebelasteten Teilen Kühlkanäle ausgebildet sind, die in einem geschlossenen Kühlkreislauf liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkammer druckfest ausgebildet ist und über eine Druckleitung und einen Drucktransmitter mit dem Kühlkreislauf in Druckübertragung steht.

Hochdruck-Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Elektroden zur Veränderung des Elektrodenabstands in einer Halterung beweglich gelagert ist, die als Abschlußplatte einer Stellkammer mit der Länge des Verstellbereichs, der Elektrode ausgebildet ist, daß die Stellkammer mit der Lichtbogenkammer in Druckverbindung steht und einen Motor in Eingriff auf einen Stelltrieb enthält und daß Versorgungsleitungen durch die Stellkammerwand fest durchgeführt sind. .

3. Hochdruck-Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im wesentlichen als zylin drische Ringe ausgebildet' sind, die axial gegenüberstehend angeordnet sind und Magnetspulen enthalten.

4. Hochdruck-Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptzuleitung'für Arbeitsgas zwischen den Elektroden mündet.

b. Hochdruck-Plasmabrenner nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch ein Ausgleichsgefäß, an das von.oben die Druckleitung . und von unten eine Kühl- ' mittelleitung angeschlossen ist.

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6. Hochdruck-Plasmabrenner nach Anspruch 1 und einem, der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben in der Druckleitung zwischen Lichtbogenkammer und Kühlmittelkreislauf eingesetzt ist. ' ■ ,

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