DE2000869C3

DE2000869C3 - Verfahren und Einrichtung zur Erhitzung eines Gases mittels eines elektrischen Lichtbogens

Info

Publication number: DE2000869C3
Application number: DE2000869A
Authority: DE
Inventors: Frederick A. Pittsburgh Azinger Jun.; Maurice G. Turtle Creek Fey; George A. Export Kemeny; Charles B. Irwin Wolf
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-01-10
Filing date: 1970-01-09
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2000869A1; US3629553A; GB1288610A; DE2000869B2; JPS4823578B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zur Erhitzung eines Gases mittels eines elektrischen Lichtbogens,

Bei einem aus der US-PS 3 343 019 bekannten Verfahren dieser Art wird absichtlich die Gäsgeschwin^ djgkeit so niedrig gehalten, daß der umlaufende Lichtbogen kontinuierlich brennt.

Bei dem bekannten Verfahren können schädliche unerwünschte Lichtbogenübertritte dadurch auftreten, daß der kontinuierlich brennende Lichtbogen in bezüglich der Gasströmung stromauf des vorgesehenen Lichtbogenübertrittsbereiches liegende Elektrodenbereiche wandert, wo ein den Umlauf des Lichtbogens hervorrufendes Magnetfeld nicht mehr .«ark

ίο genug zur Sicherstellung des Lichtbogenumlaufs ist, und daß der Lichtbogen von diesen Elektrodenbereichen auf Hitzeschilder oder äußere Wandungsteile der Gaserhitzungseinrichtung übertritt und dort Beschädigungen hervorruft.

π Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Veriahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß keine unerwünschten Lichtbogenwanderungen stattfinden können und daß außerdem ein höherer Verfahrenswirkungsgrad erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelost.

Bevorzugte Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Geschwindigkeit, mit welcher das zu erhitzende Gas durch den Ringspalt getrieben wird, gegenüber dem bekannten Verfahren wesentlich höher. Infolge dieser höheren Gasgeschwindigkeit und der durch die Blaswirkung des Gases verursachten periodischen Lichtbogenverlängerung mit sich ständig wiederholendem Erlöschen und Wiederzünden des Lichtbogens ergibt sich eine größe Gasturbulenz und dadurch eine bessere Gasdurchmischung und eine gleichmäßigere ■ Gaserhitzung sowie auch eine höhere mittlere Lichtbogenspannung, die wiederum zu höherem Leistungsumsatz führt. Zur Erhöhung des Leistungsumsatzes tragen auch eine geringe Spaltweiier.bemessung gemaß Anspruch 2, wodurch die Betriebsspannung niedrig gehalten werden kann, und eine hohe Gasgeschwindigkeit nach Anspruch 3 bei, wodurch ionisierte Teilchen aus dem Spalt ferngehalten werden. Infolgedessen ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gegenüber dem bekannten Verfahren höherer Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß der dynamische Druck des mit hoher Geschwindigkeit den schmalen Ringspalt durchströmenden Gases den Lichtbogen daran hindert, auf irgendwelche äußere Wandungsteile der Gaserhitzungseinrichtung überzutreten, wo er Beschädigungen hervorrufen würde. Da durch die starke Blaswirkung des Gases jeweils eine große Verlängerung des Lichtbogens stattfindet, ergibt sich ein größerer, von den Lichtbogenenden bestrichener Oberflächenbereich der Elektroden und dadurch eine längere Elektrodenlebensdauer.

Die Ansprüche 4 und f> beziehen sich auf eine Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit relativ zueinander verschiebbaren Elektroden und mit Regeleinrichtungen zur Regulierung der Ringspaltweite in Abhängigkeit von der Gasdruckdifferenz zwischen der Lichtbogenkammer und einem außerhalb der Elektroden angeordneten Gaszufuhrraum und zur Steuerung des Speisestromes von den Lichtbogenumlauf bewirkenden Feldwicklungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Enthalpie des erhitzten Gases,

Einige Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Lichtbogen-Gaserhitzer zur Ausführtlng des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen abgewandelten Lichtbogen-Gaserhitzer mit verstellbarer Ringspaltweite, in

Fig. 3 ein Schaltschema für den Betrieb des erfindungsgemäßen Lichtbogen-Gaserhitzers mit Wechselstrom,

Fig. 3 A ein Schaltschema für den Betrieb des erfindungsgemäßen Lichtbogen-Gaserhitzers mit Gleichstrom,

Fig. 4 A und 4B während einer Versuchsreihe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommene Oszillogramme des Lichtbogenspannungsverlaufs,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur automatischen Ringspaltweiteneinstellung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Speisestromregelung der den Lichtoogenumlauf bewirkenden Feldwicklungen und

Fig. 7 ein den Verfahrensablauf erläuterndes Diagramm.

Fig. 1 zeigt einen Lichtbogen-Gaserhitzer mit einer Lichtbogenkammer 11, die von zwei Ringelektroden 12 und 13 umgeben ist, die durch einen eine Funkenstrecke bildenden axialen Ringspalt 14 voneinander getrennt sind. Die Elektroden 12 und 13 weisen Kühlkanäle 16,17, die an Kühlkanäle 20, 21 und 22, 23 angeschlossen sind, und außerdem Feldspulen 18 und 19 auf, die zum Aufbau eines Magnetfelds dienen, das bewirkt, daß ein zwischen den Elektroden gezogener Lichtbogen auf einer Kreisbahn zwischen den beiden Elektroden umläuft.

Die Lichtbogenkammer 11 kann außerdem noch durch Hitzeschilder 25 und 33 begrenzt sein, die zwischen sich und den daran angrenzenden Elektroden 12 und 13 jeweils eine Ringkammer 26 bilden, die mit Strömungsmittelkanälen 27 bzw. 34 Verbindung hat. Ähnliche Strömungsmittelkanäle 31 und 37 und dazugehörige Eintrittsöffnungen in die Lichtbogenkammer sind zwischen dem Hitzeschild 25 und einem ein Ende der Lichtbogenkammer abschließenden Abschlußstopfen 29 und zwischen dem Hitzeschild 33 und einem am anderen Ende der Lichtbogenkammer angebrachten Düsenkörper 36 gebildet.

Eine Wandkonstruktion 39 umschließt einen außerhalb der Elektroden <2 und 13 gelegenen, mit dem Ringspalt 14 in Verbindung stehenden Gaszufuhrraum 43, der mit Gaszufuhrkanälen 41 und 42 Verbindung hat und durch welchen Gas durch den Ringspalt 14 hindurch in die Lichtbogenkammer 11 eingeblasen wird.

Die an die Elektroden 12 und 13 angelegte Betriebsspannung v.ird von einer Wechselstromquelle oder einer Gleichstromquelle erzeugt.

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema zur Speisung des Gaserhitzers mit Wechselstrom, wobei die schematisch dargestellten Komponenten des Gaserhitzers mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig, I, jedoch mit beigefügten Beistrichen, Versehen sind. In Fig. 3 sind zwei Lichtbogenformen dargestellt und mit 15' bzw. 15" bezeichnet. Die Betriebsspannung wird über Klemmen 51 und 52 Von einer Wechselstromquelle bezogen, wobei die Elektlr.de 12' über eine Leitung 46 und Schaltschutzkontakte 48 an die KJemme 51 und die Elektrode 13' über eine Leitung 55, eine Drosselspule 50, eine Leitung 47 und Schaltschützkontakte 49 an die Klemme 52 angeschlossen ist.

Fig. 3 A zeigt ein Schaltschema, gemäß welcher die beiden Elektroden an Klemmen 51' und 52' einer Gleichstromquelle angeschlossen sind und wobei die Drosselspule 50 durch einen Widerstand 56 ersetzt ist.

Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß der Ringspalt 14 ziemlich klein ist. Durch diesen kleinen Ringspalt 14 wird Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Lichtbogenkammer eingeblasen, so daß der zwischen den Elektroden gezündete Lichtbogen 15, der unter der Wirkung des von den Feldspulen 18 und 19 aufgebauten elektromagnetischen Feldes umläuft, infolge der Blaswirkung des einströmenden Gases in das Innere der Lichtbogenkammer Il hinein ausgelenkt und stark verlängert wird, so daß er eine Form annimmt, wie sie beispielsweise in Fig. 1 mit 15a oder 15b bezeichnet ist. Diese Lichtbogenverläng' ang durch das schnell einströmende Gas scUi sich su large fürt, bis die Lichtbogenspannung die für den Funkenüberschlag im Ringspalt erforderliche Spannung übersteigt, worauf im Ringspalt 14 ein neuer Lichtbogen gebildet wird und der erste Lichtbogen erlischt. Der neue Lichtbogen wird sofort wieder durch die Biaswirkung des Gases in die Lichtbogenkammer hinein gedruckt und verlängert. Dieser Wechsel zwischen Verlängerung und Neuzündung aufeinanderfolgender Lichtbögen wiederholt sich ständig, solange die Betriebsspannung an den beiden Elektroden 12 und 13 anliegt und Gas mit großer Geschwindigkeit durch den Ringspalt 14 in die Lichtbogenkammer eingeblasen wird.

Die Fig. 4A und 4B zeigen Oszillogramme des Lichtbogenspannungsverlaufs in Methangas über der Zeit (Abszissenteilung 200 us/Einheit). Wie Fig. 4 A zeigt, wird der Lichtbogen, nachdem er im Ringspalt gezündet worden ist, so weit verlängert, daß die Lichtbogenspannung auf etwa 2000 V ansteigt, worauf an der er gsten Stelle des Ringspalts ein Funkenüberschlag eintritt, der im Oszillogramm mit m bezeichnet ist. Der Lichtbogen ist natürlich in hohem Maße dynamisch, und folglich kann der Funkenüberschiag und das Erlöschen des verlängerten Lichtbogens auch bei anderen Spannungen eintreten, beispielsweise bei 1200 V (Funkenüberschlag p) oder bei 500 V (Funkenüberschiag n) oder auch bei 1800 V. Es gibt verschiedene Ursachen für die Unterschiede der Funkenüberschlagsspannung im Ringspalt. Beispielsweise emittiert ein Lichtbogen der in Fig. 1 mit 15fo bezeichneten Art, der näher am Ringspalt 14 verläuft als der mit 15a bezeichnete Lichtbogen, mehr Photonen in den Ringspalt hinein. Ein weiterer Faktor ist der Ciasdruck. In Fig 7 ist die sog. Paschensche Kurve der Gasentladungszündspannung für ein bestimmtes Gas und für eine bestimmte Elektroden-Oberflächenleitfähigkeit angegeben, wobei beide Maßstäbe logarithmisch sind und Jie Zündspannung als Funktion des Gasdruckes mal dem Elektrodenabstand aufgetragen ist.

Ein weiterer, die Funkenüberschlagsspannung im Ringspalt beeinflussender Faktor ist der, daß das mit hoher Geschwindigkeit in die Lichtbogenkammer einströmende Gas ein Zurückströmen erhitzten Gases in den Ringspaltbereich verursachen kann. Außerdem kann es vorkommen, daß der dynamische Lichtbogen

durch die Blaswirkung des Gases so stark verlängert wird, daß er aufgrund des einwirkenden elektromagnetischen Drehfeldes tordiert wird, so daß die Möglichkeit besteht, daß sich der Lichtbogen selbst kurzschließt und dadurch die Lichtbogenspannung auf einen wesentlich unter der Funkenüberschlagsspannung liegenden Wert zurückkehrt (Punkt ο in Fig. 4A).

In dem Oszillogramni nach Fig. 4B zeigt der Punkt q eine NeU2ündung des Lichtbogens nach einem Verlängern des vorhergehenden Lichtbogens bis zum Erreichen einer Lichtbogenspannung von 2000 V. Die Punkte ;· und χ stellen Kurzschlüsse des Lichtbogens in sich selbst dar, während der Punkt / ein Neuzünden des Lichtbogens im Ringspalt aufgrund verstärkter Photonenleitfähigkeit und der Punki ti wiederum einen Kurzschluß des Lichtbogens in sich selbst darstellt.

ι _nAu^«_nu_n—ι.,- ι :,.»„ „:~λ v/A^i^UtiiofiA f."..- A-*>\

III [IULIiai^llUIIUUI LjIOII* O11IU TbldUVlMtrvilv IUi Ulbi

verschiedene Betriebsbedingungen bei der Ausführung des beschriebenen Verfahrens angegeben:

Versuch Nummer:

Versuchsgas CH₄
Lichtbogenstrom (A) 3250
durchschnittliche Lichtbogenspannung (V) 715
Gasdurchsatz (kgs) 0,255
Betriebsspannung (V) 2080
thermischer Wirkungsgrad (%) 72,6
Enthalpie (kJ/kg) 1482
Gasgeschwindigkeit bei kleinster Ringspalteinstellung (m/s) 357
kleinste Ringspaltbreite (mm) 1,37

CH₄ N

2000 2000

870 205

O.Vv* 0,288

3500 3520

84,0 62,3

908 335

343
1,80

275
1,80

Die Oszillogramme nach den Fig. 4A und 4B stammen aus dem Versuch Nr. 1.

Fig. 2 zeigt einen Lichtbogen-Gaserhitzer, welcher dem in Fig. 1 gezeigten Gaserhitzer ähnlich ist, jedoch eine Einrichtung aufweist, mittels derer die Ringspaltweite zwischen den beiden Elektroden regulierbar ist. Für gleiche Teile sind wiederum gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1, jedoch zweigestrichen, verwendet.

Die beiden Elektroden 12" und 13" sind jeweils mit Teilen 62 und 63 verbunden, die jeweils mit einem Bund versehen sind, an welchem eine Vielzahl von Rohren oder Stäben 64, 65 und 66, 67 angeordnet sind. Diese Rohre oder Stäbe sind gegen die Bundteile 62 bzw. 63 isoliert oder bestehen selbst aus Isoliermaterial. Die Rohre oder Stäbe der einen Elektrode sind jeweils axial bezüglich derjenigen der anderen Elektrode ausgerichtet und jedes der so gebildeten Rohrbzw. Stabpaare ist durch Schraubspindeln 68,69 bzw. 70, 71 mit einem drehbaren Teil 73 bzw. 74 verbunden. Dabei sind die Schraubspindeln entweder mit den Rohren bzw. Stäben oder mit den drehbaren Teilen

73 bzw. 74 starr verbunden und in das jeweils andere Teil eingeschraubt. An den drehbaren Teilen 73 und

74 ist jeweils ein Ritzel 76 bzw. 77 befestigt, das mit einem Innenzahnkranz 79 in Eingriff steht. Eine Drehung des Innenzahnkranzes 79 in einer Richtung bewirkt also ein Voneinanderwegbewegen der Elektroden 12" und 13" und damit eine Erweiterung des Ringspalts 14", während eine entgegengesetzte Drehung des Innenzahnkranzes 79 eine Annäherung der Elektroden und Verengung des Ringspalts herbeiführt. Die Drehung des Innenzahnkranzes 79 kann durch das Antriebsritzel eines Elektromotors erfolgen, das mit einer am Zahnkranz 79 angeordneten Außenverzahnung 90 in Eingriff steht.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Äusführungsform des Gaserhitzers weist die den Gaszufuhrraum 93 um- > schließende WilndkünstfUktion relativ zueinander verschiebbare Wandteile 85, 86 bzw. 87, 88 auf, zwischen denen eine Anzahl von Druckfedern 81, 82 angeordnet ist, die in Federkammern 83, 84 sitzen.

Die Gaszufuhrkanäle sind in Fig. 2 mit 91 und 92 lü bezeichnet, und ein verlängerter Lichtbogen ist bei 15c gestrichelt angedeutet.

Fip "! /cigl eine Anordnung zur automatischen Rcgelungder Ringspaltweite in Abhängigkeit von der Gasdruckdifferenz zwischen der Lichtbogenkammer fs und dem Gaszufuhrraum. In Fig. 5 sind schemdtisch die beiden Elektroden 95 und 96, ein Lichtbogen 115 und an den Elektroden befestigte, relativ zueinander verschiebbare Gehäuseteile 98 und 99 dargestellt. Di.

tupnnp.

lassen.

Zwei Druckfühler 101 und 106, weiche den Druck in der Lichtbogenkammer bzw. im Gaszufuhrraum 100 darstellende Signale liefern, sind über Leitungen 102 und 107 an einen Differenzdruckregler 103 angesuilossen. Der Differenzdruckregler 103 steuert einen umsteuerbaren Motor 104, der einen Zahnkranz 109 antreibt, mit WfU'iem ein Ritzel 110 in Eingriff steht, das auf einer Stellschraube 111 sitzt, die ihrerseits mit Stellnasen 112 bzw. 113 zusammenwirkt, die an den

-io Gehäuseteilen 98 und 99 befestigt sind. Auf diese Weise erfolgt eine axiale Relati"ver<:chiebung der Gehäuseteile und damit der Elektroden in der jeweiligen Motordrehrichtung entsprechendem Richtungssinn. Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung bewirkt einen

j5 automatischen Ausgleich jeglicher Ringspaltweitenänderung infolge einer Lichtbogenerosion der Elektroden im Ringspaltbereich.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur Regelung des Feldspulenstromes in Abhängigkeit von der Enthalpie des erhitzten Gases. In Fig. 6 sind schematisch die beiden Elektroden 117 und 118, ein dazwischen gezogener Lichtbogen 126, an den Elektroden gebildete Bundteile 119 und 120 und eine dazwischen angeordnete isolierende Wandkonstruktion 121 dargestellt, die den Gaszufuhrraum 122 umschließt und die Elektroden in gegenseitigem Abstand voneinander hält. Die Regeleinrichtung nach Fig. 6 weist einen Temperaturfühler 128 auf, der die Temperatur des erhitzten Gases in der Lichtbogenkammer 125 ermittelt und somit auf Änderungen der Enthalpie des erhitzten Gases anspricht. Ober eine Leitung 129 lief *t der Temperaturfühler 128 ein entsprechendes Signal an einen Regler 130, der über eine Steuerleitung 131 die Speisestromquelle 132 für die Feldspulen 135 und 136 steuert, welch letztere über eine Leitung 137 mit der Speisestromquelle 132 verbunden sind. Der Regler 130 ist mit Einstellorganen 142 und 144 versehen. Die beiden, in den Fig. 5 und 6 dargestellten Regelanordnungen ermöglichen eine Selbststeuerung des Verfahrensablaufs mit Bezug auf die Parameter der Ringspaltweite und der Stärke des magnetischen Feldes im Sinn einer jeweils optimalen Einstellung dieser Parameter.

Es können abweichend von der dargestellten Elektrodenform auch koaxial ineinanderliegend angeordnete Elektroden Anwendung finden, wobei die Lichtbogenentladung in radialer Richtung in dem zwischen den Elektroden gebildeten Ringspalt stattfindet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhitzung eines Gases mittels eines elektrischen Lichtbogens, der zwischen zwei eine Lichtbogenkammer umgebenden, einen Ringspalt bildenden Elektroden brennt und unter dem Einfluß insbesondere magnetischer Mittel umläuft, wobei das Gas von außen durch den Ringspalt in die Lichtbogenkammer geleitet wird und den Lichtbogen nach seiner Zündung vom Ringspalt weg nach innen bläst, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Elektroden angelegte Spannung, die Weite des Ringspalts und die Gasgeschwindigkeit so bemessen werden, daß der Lichtbogen durch die Blaswirkung des Gases so weit verlängert wird, bis die Lichtbogenspannung die für den Funkenüberschlag im Ringspalt erforderliche Spannung übersteigt, wodurch ein neuer Lichtbogen gebildet wird und der erste Lichtbogen erlischt, und daö dieser Wechsel zwischen Verlängerung und Neuzündung aufeinanderfolgender Lichtbogen während der ganzen Dauer des Erhitzungsvorganges ständig aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit mehr als 25 m/s beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Verwendung eines Ringspalts mit einer Weiter von weniger als 13 mm.

4. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit zwei eine Lichtbogenkammer umgebender, einen Ringspalt bildenden Elektroden und mit einem außerhalb der Elektroden gebildeten, mit df-ji Ringspalt in Verbindung stehenden Gaszufuhrraum, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (12", 13") im Sinne einer Einstellbarkeit der Ringspaltbreite relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind und daß mit den beiden Elektroden eine auf Druck ansprechende Einrichtung (101,103, 104, 106,109 bis 113 bzw. 64 bis 71,76,77) verbunden ist, die eine gegenseitige Verschiebung der Elektroden in Abhängigkeit von einer jeweils zwischen dem Gaszufuhrraum (100) und der Lichtbogenkammer herrschenden Gasdruckdifferenz bewirkt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 mit Feldwicklungen zum Aufbau eines den Lichtbogenumlauf längs des Ringspalts bewirkenden Magnetfelds, gekennzeichnet durch eine an die Feldwicklungen (135, 136) angeschlossene Fcldregeleinrichtung (128 bis 132, 137), die einen auf die jeweilige Temperatur des erhitzten Gases ansprechenden Temperaturfühler (128) aufweist und den die Feldwicklungen speisenden Strom in Abhängigkeit von der jeweiligen Enthalpie des erhitzten Gases steuert.