DE1933306C - Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogen Hochdruckplasmabrenners und Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents

Description

SS

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogen-Hochdruckplasmabrenners, bestehend aus einer druckfesten Lichtbogenkammer, die mit einer Plasma-Ausströmdüse versehen ist, mit Kühlkanälen in den hitzebelasteten Bauteilen, die in einem geschlossenen Kühlkreislauf liegen, und einem Drucktransmitter, der auf den Druck in der Lichtbogenkammer anspricht.

Solche Plasmabrenner sind bekannt, beispielsweise aus »Advanced Energy Conversion«, Vol. 7, 1968, Nr. 4. S. 219 bis 232 und 233 bis 245. Sie eignen sich zur Versorgung von Windkanälen für Versuche der Raumfahrttechnik, insbesondere um den Wiedereintritt von Flugkörpern in die Erdatmosphäre zu simulieren. Außerdem können solche Plasmabrenner in der Chemie eingesetzt werden.

Die Erfindung geht aus von aer Erkenntnis, daß bei einem Kühlmitteldruck unterhalb des Betriebsdrucks in der Lichtbogenkammer bei Leckstellen in hitzebelasteten Bauteilen ionisiertes Arbeitsgas bzw. Plasma in die schadhaften Stelleu eindringen und größere Schaden verursachen kann. Andererseits erfordert es einen erheblichen Pumpenaufwand und SS 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 Schwierigkeiten zu bewältigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, du· genannten Nachteile zu vermeiden und die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit der Anlage zu erhöhen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlmitteldruck synchron zum Betriebs druck in der Lichtbogenkammer gehalten wird. Das Kühlmittel wird ständig mit dem Betriebsdruck in der Lichtbogenkammer abgedrückt. Insbesondere wird beim Anfahren, während des Betriebs und beim Abfahren des Plasmabrenners an jeder Kühlstelle der Druck zumindest etwas oberhalb des Betriebsdrucks in der Lichtbogenkammer aufrechterhalten.

Ein so betriebener Brenner weist unter anderem folgende wesentliche Vorteile auf: Da die Druckdifferenz zwischen Kühlmittel und Betriebsdruck in der Lichtbogenkammer kleingehalten werden kann, lassen sich die Wände zwischen Kühlkanälen und der Innenseite der Betriebsräume dünnwandig ausbilden, was neben einer Materialersparnis eine gute Kühlung gewährleistet. Außerhalb der Strahlungsbereiche können auch Kühlmittelschläuche eingesetzt werden, da ein Zusammendrücken der Schläuche nicht zu befürchten ist. Weiterhin ist sichergestellt, daß bei Leckstellen in den hitzebelasteten Bauteilen nur Kühlmittel austreten kann. Schließlich hat die Kühlmittelpumpe nur die Umwälzarbeit aufzubringen. Der von der Umwälzpumpe aufzubringende Druck, der sich bis zum Rücklauf in die Pumpe abbaut, kann somit kleingehalten werden.

Eine wesentliche Ausgestaltung des Hochdruck-Plasmabrenners nach der Erfindung besteht darin, daß zumindest eine der beiden Elektroden zur Veränderung des Elektrodenabstandes 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.

Durch eine solche Stellkammer, die auf gleichem Druck wie der Betriebsraum der Lichtbogenkammer gehalten wird, erzielt man eine druckentlastete Elektrodenverschiebung und vermeidet Dichtungsprobleme bei der Elektrodenhalterung. Auch eine Dichtung für den Stelltrieb entfällt, da der Motor innen in der Steilkammer angeordnet ist. Die Konzeption der Stellkammer führt zusammen damit, daß das Kühlmittel mit dem Betriebsdruck in der Lichtbogenbrennkammer beaufschlagt wird, zu weiteren Vorteilen: Die Versorgungsleitungen zur beweglichen Elektrode — für Kühlmittel und Stromversorgung —

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müssen nicht starrwandig ausgebildet sein und durch führung des Zuleitungsrohres 15 ist mit 24 bezeich-

die Wand beweglich durchgeführt werden, sondern net. Durch ein Beobachtungsfenster 25 in der Boden-

man kann Schläuche verwenden sowie feste Durch- platte kann bei Betrieb der Lichtbogen überwacht

führungen und vermeidet insgesamt jegl ehe beweg- werden, wenn eine hinten offene Elektrode — wie

liehe Abdichtung gegen Hochdruck. 5 dargestellt — verwendet wird. Das Zuleitungsrohr 15,

Es ist vorteilhaft, die Elektroden im wesentlichen auf dem der Stromabnehmer 26 gleitet, ist mit den*

als zylindrische Ringe auszubilden, die axial gegen- Anschlußschlauch 27 verbunden,

überstehend angeordnet sind und Magnetspulen ent- Die Lichtbogenkammer 1 wird weiter durch Kas-

halten, die bei Betrieb den Lichtbogen rotieren lassen. kadenringe 28 und durch den als Verschlußplattu 29

Das Magnetfeld wird dadurch im Bereich hoher io ausgebildeten Elektrodenmantel der feststehenden

Induktion an die L ichtbogenfußpunkte herangeführt. Elektrode gebildet. Die Verschlußplatte 29 stellt die

Es ist weiterhin günstig, eine Hauptzuleitung für elektrische Vet bindung zwischen der Elektrode 10

Arbeitsgas zwischen den Elektroden münden zu und dem Anschluß 14 her.

lassen. Den Anforderungen entsprechend kann sie Der Brennerkopf 3 besteht im wesentlichen aus

mehr tangential, radial oder axial zur Ausströmungs- 15 dem Montagemantel 30, den Distanzwänden 31 und

düse und gegen die Richtung der Ausströmung ein- der Stirnplatte 32. Auf der Stirnplatte 32 ist dei

geführt sein. Düsenkörper 4 montiert.

Der Drucktransmitter kann ein Ausgleichsgefäß Die druckbeanspruchten /·. .,ßenteile wie Kaskadensein, an das von eben die Druckleitrng und von ringe 28, Kammermantel 18 urd Montagemantel 30 unten eine Kühlmittelleitung angeschlossen ist. Statt ao können aus rostfreiem Edelstahl gefertigt sein. Die dessen kann als Drucktransmitter auch ein Kolben Teile, die elektrisch leitend sein solkn sowie die in der Druckleitung verwendet werden. besonders hitzebelasteten und gekühlten Teile, wie

Fin Lichibogen-Hochdruckplasmabrenner, der die Elektroden bzw. die Elektrodenmäntel 33, kön-

nach der Erfindung betrieben werden kann, soll nun nen zweckmäßigerweise aus Kupfer ausgebildet sein,

an Hand der Zeichnung weiter erläutert werden. as Beim Brennerkopf 3 wird Kühlmittel durch die

In Fig. 1 ist ein Plasmabrenner im Längsschnitt Bohrung 34 eingeleitet, es durchströmt dann den

und vereinfacht dargestellt. In Fig. 2 ist ein Schalt- Raum zwischen der Verschlußplatte 29 und einer

plan für einen Kühlmittelkreislauf schematisch Distanzwand 31 sowie den Spalt zwischen dem Elek-

wiedergegeben. trodenmantel 33 und dem Spulenkörper 12 und fließt

Der Lichtbogen-Hochdruckplasmabrenner nach 30 dann über den Kammerraum zwischen der Stirnplatte Fig. 1 besteht aus der Lichtbogenkammer 1, der 32 und einer Distanzwand 31 sowie die Bohrung 35 Stel'.kammer 2, dem Brennerkopf 3 und dem Düsen- ab. Weitere Küh'kanäle können in den Kaskadenkörper 4 mit der Ausströmungsdüse 5, die insbeson- ringen 28 der Lichtbogenkammer 1 ausgebildet sein, dere als Lavaldüse ausgebildet sein kann. Der Innen- Die Kühlmittelanschlüsse für die Magnetspule der raum bzw. Betriebsraum 6 der Lichtbogenkammer 1 35 beweglichen Elektrode sind mit 36 bezeichnet und steht über die Druckleitung 7 und den Drucktrans- abgebrochen wiedergegeben. Zur Magnetspule der mitter 8 mit dem Kühlmittel im Rohr 9 des Kühl- feststehenden Elektrode 10 führen die Kühlmittelmittelkreislaufs in Verbindung. Mit JO ist die fest- anschlüsse 37. Die Düse 5 wird über die Anschlüsse stehende und mit 11 die bewegliche Elektrode be- 38 mit Kühlmittel versorgt.

zeichnet. Beide Elektroden sind als zylindrische Ringe 40 Arbeitsgas wird im Ausführungsbeispiel über die ausgebildet und stehen sich axial gegenüber. Sie ent- Hauptzuleitung 39 sowie über die Nebenzuleitungen halten Magnetspulen 12. Die Magnetspulen weiden 40 in die Lichtbogenkammer eingeleitet,
im Betrieb so erregt, daß sich ein Cusp-Feld aus- Nach Fig. 2 führt vom Plasmabrenner 41, beibildet, das den zwischen den Elektrodenstirnseiten 13 spielsweise nach Fig. 1 ausgebildet, eine Druckbrennenden Lichtbogen umlaufen läßt. Zur Strom- 45 leitung 7 zu einem hochgelegenen Ausgleichsbehäiversorgung ist für die Elektrode 10 der Anschluß 14 ter 8, an den sie von oben angeschlossen ist. Der und für die Elektrode 11 das Zuleitungsrohr 15 vor- Ausgleichsbehälter 8 dient als Drucktransmitter und gesehen, durch das gleichzeitig Kühlmittel zugeführt beaufschlagt mii dem Betriebsdruck im Innenraum wird. Ein Profilring 16 aus Isoliermaterial, beispiels- der Lichtbogenkammer das Kühlmittel im Kühlkreisweise aus glasfaserverstärktem Epoxyd-Harz, trennt 50 lauf, der über die Leitung 9 unten am Ausgleichsdas Potential der feststehenden Elektrode 10 und der behälter angeschlossen ist. Der Ausgleichsbehälter beweglichen Elektrode 11. dient hier als Drucktransmitter. Der Ausghichs-

Die Stellkammer 2 steht mit der Lichtbogenkam- behälter kann, wie dargestellt, ein Sicherheitsübermer 1 über am Umfang verteilt angeordnete Bohrun- druckventil 42 und einen Niveauwächter 43 aufgen 17 in Druckausgleich. Dazu können auch außen 55 weisen. Der Niveauwächter schaltet beim Einfüllen an den beiden Kammern Schlauchverbindungen vor- des Kühlmittels beim Betriebsstand die Kühlmittelgesehen sein. Die Stellkammer 2 wird im wesent- zufuhr ab und schaltet bei Betrieb die Gesamtanlage liehen durch den Kammermantel 18, die Bodenplatte aus, sobald ein Minimalspiegel im Ausgleichsbehälter

19 und die als Abschlußplatte ausgebildete Halterung unterschritte.i wird, wie es bei Kühlmittelauslauf

20 gebildet. In der Halterung 20 ist die Elektrode Il 60 durch Leckstellen der Fall sein kann.

beweglich gelagert. Der ferngesteuerte Motor 21 Der Kühlmittelkreislauf besteht im wesentlichen

wirkt auf den Stelltrieb der Elektrode 11 ein, der aus aus der Anschlußleitung 44 für die Umwälzpumpe

einer Spindel 22 und einem Stellkopf 23 bestehen 45, der Verteilerleitung 46, den einzelnen Kühlstrek-

kann. Die Spindel Ii ist in der Bodenplatte 19 und ken, der Sammelleitung 47 und der Rücklaufleitung

in der Halterung 20 gelagert. Das Zuleitungsrohr 15 65 62. Von den Kühlstreckcn führt beispielsweise 48

und ein weiteres in der Zeichnung nicht dargestelltes zur beweglichen Elektrode, 49 zur festen Elektrode,

Anschlußrohr zur Kühlmittelableitung können in der 50 zur Magnetspule der beweglichen Elektrode, 51

Bodenplatte 19 fest durchgeführt werden. Die Durch- 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 Tempcraturmcsser, z.B.Thermoelemente, bezeichnet. Sie dienen im Ausführungsbeispiel zur Ermittlung der an das Kühlmittel abgegebenen Leistung, die sich aus Durchflußmcngc und Tcmperaturdiilcrenz von Einlauf und Ablauf an den Kühlstrcckcn ergibt. Aus der Differenz zur aufgewandten elektrischen Leistung läßt sich die an das Arbeitsmedium abgegebene Leistung bzw. der Wirkungsgrad ermitteln.

Um das Kühlmittel rückzukühlcn, ist im Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 57 mit dem Kreislauf 58 sowie ein Wärmetauscher 59 mit Frischwasserzufuhr bei 60 vorgesehen, die von der Rücklauftcmperatur, 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 Pumpcnlcistung im Kühlkreislauf für lOatü ausgelegt sein. Der Kühlwasscrdruck liegt dann vor der Umwälzpumpe bei 60 atü und hinter der Umwälzpumpe sinkt er, bedingt durch die Strömungsreibung, auf 50 atü ab. Für ein solches Ausführungsbeispiel kann die Brennerleislung auf 50 kW und der Durchsatz an Arbeitsgas auf 50 g/s ausgelegt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbog°n-Hochdruckplasmabrenners, bestehend aus einer S druckfesten Lichtbogenkammer, die mit einer Plasma-Ausströmdüse versehen ist, mit Kühlkanälen in den hitzebelasteten Bauteilen, die in einem geschlossenen Kühlkreislauf liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kiiblmitteldruck synchron zum Betriebsdruck in der Lichtbogenkammer gehalten wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem DrucktransmiUer, der auf den Druck in der Lichtbogenkammer anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der DrucktraiJ mitter (8) mit dem Kühlkreislauf in druckübertragender Wirkverbindung steht und den Kühlmitteldruck in Abhängigkeit vom Druck in der Lichtbogenkammer (1) steuert. ao

V Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Elektroden (10, 11) zur Veränderung des Elektrodenabstandes in einer Halterung beweglich gelagert ist, die als Abschlußplatte (20) einer as Stellkammer (2) mit der Länge des Verstellbereichs der E.^ktrode (11) ausgebildet ist, daß die Stellkammer (2) mi' der ' ichtbogenkammer (1) in Druckverbindung steht und einen Motor (21) in Eingriff auf einen Stellt; eb (22, 23) entnäh und daß Versorgungsleitungen (15, 27) durch die Stellkammerwand fest durchgeführt sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 11) im wesentlichen als zylindrische Ringe ausgebildet sind, die axial gegenüberstehend angeordnet sind und Magnetspulen (12) enthalten.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptzuleitung (39) für Arbeitsgas zwischen den Elektroden mündet.

6. Anordnung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch ein Ausgleichsgefäß (8), an das von oben die Druckleitung (7) und von unten eine Kühlmittelleitung (9) angeschlossen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben in der Druckleitung zwischen Lichtbogenkammer und Kühlmittelkreislauf einge- $etz* ist.