DE2114277B2 - Elektrodenloser plasmabrenner - Google Patents

Description

• Diese Aufgabe wird bei einem elektrodenlosen Plasmabrenner der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Brennkammer oben offen ist und an der unteren Stirnseite einen diese abschließenden Flüssigkeitsbehälter aufweist, der einerseits mit dem Innenraum der Brennkammer und andererseits mit einem Niveaugefäß kommuniziert und der von einer Gaszuführungsleitung durchsetzt ist, welche oberhalb des sich in der Brennkam-
• mer im Betrieb einstellenden Flüssigkeitsspiegels in der Brennkammer mündet.
• Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen in Verbindung mit deren Beschreibung erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels, F i g. 2 eine beispielsweise Ausführungsform eines elektrodenlosen Plasmabrenners mit drehbarer Brennkammer.
• In F i g. 1 dient ein Quarzrohr 1 als Brennkammer, dessen oberes Ende mit einem nach innen weisenden Kragen 1 a versehen ist. Das untere Ende des Quarzrohres ist mit einer Hohlwelle2 verbunden.
• Die gesamte aus Quarzrohr und Hohlwelle bestehende Anordnung ist axial und radial in Lagern 3, 4 gelagert. Mit der Antriebsvorrichtung 5 kann diese Anordnung in Rotation versetzt werden.
• Das untere Ende der Hohlwelle 2 taucht in einen dosenförmigen, nicht mitrotierenden Behälter 6 ein, der über eine Rohrleitung 7 mit einem Niveaugefäß 8 in Verbindung steht. Das Quarzrohr 1, die Hohlwelle 2 und damit auch der Behälter 6, Rohrleitung 7, sowie Niveaugefäß 8 sind bis zur Höhe h0 mit Flüssigkeit 9 gefüllt - in F i g. 1 strichliert angedeutet.
• Die Ankopplung der von einer Hochfrequenzenergiequelle 10 erzeugten elektrischen Energie erfolgt über zwei Ankoppelglieder 11,12. Diese umgeben die Brennkammer, also das Quarzrohr 1, ringförmig, ohne jedoch mit diesem fest verbunden zu sein.
• Konzentrisch in der Hohlwelle 2 liegt ein Rohr 13, dessen Durchmesser kleiner ist als die lichte Weite der Hohlwelle. Das Rohr 13 ist in der Hohlwelle 2 axial verschiebbar angeordnet und wird durch eine Bohrung im Boden des Behälters 6 geführt. Das Rohr 13 ist über ein Ventil 14 sowie eine Pumpe 15 mit einem weiteren Behälter 16 verbunden.
• Die Inbetriebnahme der in F i g. 1 dargestellten Anordnung vollzieht sich auf folgende Weise: Nach dem Einschalten des Motors der Antriebsvorrichtung 5 nimmt die Flüssigkeit im Quarzrohr einen rotationsparaboloidförmigen Raum ein (in F i g. 1 durch die dick ausgezogene Parabel veranschaulicht). Die Parameter dieses Paraboloids bestimmen sich in bekannter Weise aus Drehzahl der Hohlwelle 2, innerer Reibung und Dichte der Flüssigkeit 9, Füllhöhe h0 usw.
• Das Rohr 13 wird axial in der Hohlwelle 2 verschoben, so daß sein oberes Ende aus der Flüssigkeit ragt. Dann wird die Pumpe 15 in Betrieb gesetzt.
• Diese verdrängt die im Rohr 13 oberhalb des Rückschlageventils 14 befindliche Flüssigkeitssäule und bläst einen kontinuierlichen Gasstrom durch die Brennkammer.
• Nach dem Einschalten der Hochfrequenzenergiequellel0 und Zünden des Plasmas bildet sich im Innern der Brennkammer eine Plasmasäule P aus (in Fig. 1 durch die doppelt schraffierte Fläche angedeutet).
• Ist die Flüssigkeit9 Wasser, so liegen die in der eingangs genannten Patentschrift beschriebenen Verhältnisse im Innern der Brennkammer vor: Das Wasser verdampft an der Oberfläche und wird infolge der extrem hohen Temperatur der Plasmasäule atomar zerlegt. Durch das von unten via Rohr 13 einströmende Gas transportiert das Wasserstoff-Sauerstoffgemisch in Richtung des oberen Endes der Brennkammer, wo es rekombiniert. Das einströmende Gas dissoziiert ebenfalls, so daß in der Brennkammer nebeneinander Flüssigkeit, Dampf, Gas, dissoziierter Dampf, dissoziiertes Gas und Plasma vorliegen.
• Die Relativbewegung von Flüssigkeit einerseits und Plasma andererseits hat eine Verwirbelung der verschiedenen Phasen im Raume zwischen Flüssigkeit und Plasma zur Folge. Dies bewirkt wiederum eine Stabilisierung der Plasmasäule. Zudem wirkt die verdampfende Flüssigkeit temperaturstabilisierend auf die Breunkammerwandungen (Siedekühlung).
• Der Flüssigkeitsverbrauch wird mittels eines mit dem Niveaugefäß 8 über ein Magnetventil 17 verbundenen Vorratsbehälters 18 laufend ergänzt. Zu diesem Zweck ist das Niveaugefäß 8 mit einer auf das Magnetventil 17 wirkenden Füllstand-Überwachungseinrichtung 19 versehen. Mit Hilfe dieser Einrichtung läßt sich auch die Füllhöhe, der Brennkammer einstellen.
• Ein Ausführungsbeispiel eines elektrodenlosen Plasmabrenners mit rotierender Brennkammer ist in F i g. 2 dargestellt.
• Die Brennkammer wird durch ein Quarzrohr 1 gebildet. Es eignet sich ebenso ein Rohr aus Oxyd-Keramik, beispielsweise Siliziumdioxid. An seinem unteren Ende ist das Quarzrohr 1 in eine Hohlwelle 2 eingekittet. Dieser drehbare Teil ist gelagert in einem Radial-Axial-Lager 4 und einem Radial-Lager 3 und wird von einem in seiner Drehzahl veränderlichen Antriebsmotor 5 angetrieben. Die Zuführung der Flüssigkeit 9 erfolgt auf die gleiche Weise wie im Falle der schematischen Darstellung der Fig. 1.
• Der dosenförmige Behälter 6, in den das untere Ende der Hohlwelle 2 eintaucht, ist gegenüber diesem mittels eines Dichtringes 20 abgedichtet. Die Gaszuführung erfolgt vom Behälter 16 über die Pumpe 15, das einstellbare Rückschlagventil 14, sowie über das konzentrisch in der Hohlwelle 2 axial verschiebbare Rohr 13. Durch dieses Rohr kann je nach Anwendungsfall ein Gas oder Gasgemisch in die Brennkammer eingeleitet werden, dessen Komponenten oder das Gas selbst in der Brennkammer miteinander und/oder mit der Flüssigkeit 9 chemisch reagieren sollen. Die Reaktionsprodukte werden in dem Dom 21 am oberen Ende der Brennkammer aufgefangen.
• Auf dem Außenmantel der Brennkammer sind drei Ankoppelgliederll, 12, 22 angeordnet. Jedes Ankoppelglied besteht aus einem Metallring 23, 24, 25 mit einer lichten Weite größer als der äußere Durchmesser des Quarzrohres. Die Ankoppelglieder werden axial und radial (bezüglich des Quarzrohres 1) in rohrförmigen Metallkörpern 26, 27, 28, die die Metallringe konzentrisch umhüllen, fixiert.
• Zwischen den Ankoppelgliedernll, 12, 22 sind rohrförmige Distanzstücke 29, 30 aus Isoliermaterial vorgesehen, ebenso zwischen den beiden äußeren Ankoppelgliedern 11, 22 und zwei den beiden Enden der Brennkammer zugeordneten Abschlußstücken 31, 32. Diese Anschlußstücke dienen der öldichten Abdichtung des Raumes zwischen Brennkammeraußenwand und Ankoppelgliedern einerseits und Außenraum andererseits.
• Die hohen im Innern der Brennkammer auftretenden Temperaturen erfordern eine intensive Kühlung der Breunkammerwandungen. Darüber hinaus müssen auch die Ankoppelglieder selbst gekühlt werden. Dies erfolgt durch eine kombinierte Öl-Wasser-Kühlung.
• Zu diesem Zweck sind die Metallringe23, 24, 25 mit Kühlschlangen 33 versehen. Diese setzen sich in dem Hohlraum zwischen den Metallringen und den diese konzentrisch umhüllenden Metallkörpern 26, 27, 28 fort und treten radial aus letzteren aus. Der gesamte die Brennkammer umgebende Hohlkörper wird außerdem von einem Kühlöl durchflossen, das am oberen Anschlußstück 32 eintritt und am unteren Anschluß stück 31 den Hohlkörper wieder verläßt.
• Der Ölkreislauf wird durch eine Pumpe 34 aufrechterhalten. Im äußeren Ölkreislauf ist weiterhin ein Ausgleichsbehälter 35 vorgesehen.
• Das Kühlöl, vorzugsweise ein sogenanntes Hf-Öl auf Silikonbasis, wird beim Durchlaufen des Hohlkörpers durch die Kühlschlangen in den Ankoppelgliedern stets aufs neue gekühlt. Es ist zu betonen, daß das Quarzrohr auch an den Stellen durch das Kühlöl gekühlt wird, an denen die Metallringe23, 24, 25 angeordnet sind. Diese sind, wie eingangs erläutert, nicht direkt auf das Quarzrohr gesetzt, sondern unter Zwischenschaltung eines ringförmigen Spaltes.
• Die Ankoppelglieder 11, 12, 22 sind derart an die Hochfrequenzenergiequelle 10, beispielsweise ein Kf-Generator, angeschlossen, daß die beiden äußeren Ankoppelglieder 11, 22 mit der auf Erdpotential liegenden Anschlußklemme, das mittlere Ankoppelglied 12 mit der auf Hf-Potential liegenden Anschlußklemme der Hochfrequenzenergiequelle 10 verbunden ist. Da die Kühlschlangen der Ankoppelglie- der auf Erd-, bzw. Hf-Potential liegen, müßten an und für sich getrennte Kühlwasser-Kreisläufe vorhanden sein. Man kann sich jedoch auf einen Kreislauf beschränken, wenn das das auf Hf-Potential liegende Ankoppelglied 12 bedienende Rohrleitungspaar 36 über eine Isolierstrecke 37 mit dem die übrigen Ankoppelglieder 11, 22 bedienenden Rohrleitungspaar 38 verbunden ist. An der Einlaßstelle 39 wird das Kühlwasser zugeführt, um es bei der Auslaßstelle 40 wieder zu verlassen.
• Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgte die Ankopplung der elektrischen Energie an das Plasma kapazitiv, entsprechend der in der obengenannten nicht veröffentlichten Patentanmeldung vorgeschlagenen Weise. Dies läßt sich jedoch auch »induktiv« realisieren, d. h. durch induktive Ankopplung des Plasmas an die Energiequelle. Die im Innern der Ankoppelglieder angeordneten, als Kondensatorbeläge dienenden Metallringe 23, 24, 25 sind dann durch Spulen, die die Brennkammer umgeben, zu ersetzen. Vorzugsweise könnten dann die Kühlschlangen 33 als Spulen ausgebildet werden.
• Der vorgeschlagene elektrodenlose Plasmabrenner erlaubt es, Flüssigkeiten, die an den im Innern der Brennkammer stattfindenden Reaktionen teilnehmen sollen, direkt in den Reaktionsraum einzubringen.
• Darüber hinaus wirken die Flüssigkeiten stabilisierend auf die Plasmasäule und tragen zusätzlich zur Kühlung der Brennkammerwandungen bei.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Elektrodenloser Plasmabrenner mit einer vertikal angeordneten, zylindrischen und um ihre Zylinderachse drehbaren Brennkammer, die von mit einer Hochfrequenzenergiequelle verbundenen Ankopplungsgliedern umgeben ist, d a -durch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) oben offen ist und an der unteren Stirnseite einen diese abschließenden Flüssigkeitsb eh älter (6) aufweist, der einerseits mit dem Innenraum der Brennkammer(1) und andererseits mit einem Niveaugefäß (8) kommuniziert und der von einer Gaszuführungsleitung (13) durchsetzt ist, welche oberhalb des sich in der Brennkammer (1) im Betrieb einstellenden Flüssigkeitsspiegels in der Brennkammer (1) mündet.
2. 2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ankopplung der elektrischen Energie kapazitive Ankoppelglieder (11, 12, 22) vorgesehen sind.
3. 3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ankopplung der elektrischen Energie induktive Ankoppelglieder vorgesehen sind.
4. 4. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) ein Quarz- oder Oxydkeramik-Rohr ist.
5. 5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungeradzahlige Anzahl von Ankoppelgliedern (11, 12, 22) vorgesehen ist, wobei die dem Ende der Brennkammer (1) zugeordneten Ankoppelgiieder (11, 22) auf Erdpotential liegen.
6. 6. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung von Brennkammeraußenwand und Ankoppelgliedern eine kombinierte Öl-Wasser-Kühlung vorgesehen ist.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro denlosen Plasmabrenner mit einer vertikal angeordneten, zylindrischen und um ihre Zylinderachse drehbaren Brennkammer, die von mit einer Hochfrequenzenergiequelle verbundenen Ankopplungsgliedern umgeben ist.

   Elektrodenlose Plasmabrenner finden in vielen Bereichen der Hochtemperaturchemie, insbesondere der anorganischen Plasmachemie ein vielfältiges Anwendungsgebiet (vgl. Chemie-Ing.-Technik 42,-Nr. -91-10, S.617...629 [1970]). Gegenüber Lichtbogen-Plasmabrennern bieten elektrodenlose Ausführungen den Vorteil, daß der Reaktionsraum nicht durch Elektroden-Verbrennungsrückstände verunreinigt wird und daß die Elektroden nicht durch aggressive Reaktionspartner angegriffen werden.

   Anwendungsbeispiele für elektrodenlose Plasmabrenner sind die Acetylen-Erzeugung, Herstellung von Titan- und Bomitriden, Synthese von Hydrazin, Ozon usw. Bei den beiden letztgenannten Verfahren ist jeweils einer der Reaktionspartner eine Flüssigkeit (flüssiges Ammoniak bzw. flüssiger Sauerstoff).

   Aus der deutschen Patentschrift 954 816 ist ein Lichtbogen-Plasmabrenner bekannt, bei dem der Lichtbogen zwischen einer in einer Wirbelkammer angeordneten Kohleelektrode und einer außerhalb der Kammer angeordneten Gegenelektrode gebildet wird, wobei die Plasmasäule innerhalb der Kammer in einen von einem Flüssigkeitswirbel gebildeten Kanal verläuft. Der Flüssigkeitswirbel wird gebildet durch tangentiales Einspritzen von Wasser in die Wirbelkammer.

   Das Wasser hat die Aufgabe, die Kohleelektrode zu kühlen und die Plasmasäule einzuschnüren, um damit zur Temperatursteigerung des wirksamen Plasmastrahles beizutragen. Es läge nun nahe, die in der genannten Patentschrift beschriebene Anordnung auch auf elektrodenlose Plasmabrenner zu übertragen und gleichzeitig das Wasser durch eine andere Flüssigkeit, beispielsweise einen Reaktionspartner für die angestrebte Synthese, zu ersetzen. Eine derartige Übertragung würde jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden sein. Nachteilig wären die durch die Elektroden-Verbrennungsrückstände verursachen Verunreinigungen des Reaktionsraumes einschließlich der Flüssigkeit. Ein weiterer noch schwerer wiegender Nachteil bestünde darin, daß die Feldverteilung im Innern der Kammer durch die verwirbelte Flüssigkeit - bedingt durch die Art und Weise ihrer Erzeugung - unbestimmt würde.

   Es ist weiterhin ein elektrodenloser Plasmabrenner mit einer Brennkammer und auf dem Außenmantel der Brennkammer angeordneten Ankopplungsgliedern zur Ankopplung der von einer Hochfrequenzquelle erzeugten elektrischen Energie bekannt, bei dem die Brennkammer vertikal angeordnet ist und um ihre Längsachse drehbar gelagert ist (Deutsche Auslegeschrift 1 239 033). Bei diesem bekannten Plasmabrenner wird unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft ein an der Innenwand entlang führender Gasstrom erzeugt, welcher die Aufgabe hat, die Plasmaflamme zu stabilisieren und die Brennkammerwandung zu kühlen. Ein derartiger Plasmabrenner ist jedoch nicht geeignet für Flüssigkeiten. Wollte man dort statt des Gases eine Flüssigkeit verwenden, so müßte zur Erzielung einer gleichmäßig dicken Flüssigkeitsschicht die Drehgeschwindigkeit sehr hoch gewählt werden, wodurch jedoch die Dicke der Schicht derart abnehmen würde, daß sie nicht mehr zu Kühlung und Stabilisierung beitragen könnte.

   Auch wäre ein derart modifizierter Plasmabrenner nicht geeignet für die obengenannten Anwendungen, bei denen die Flüssigkeit ein Reaktionspartner ist.

   Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrodenlosen Plasmabrenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der die Nachteile bekannter Ausführungen nicht aufweist und der eine bessere Stabilisierung des Plasma sowie eine intensivere Kühlung der Breunkammerwandungen zuläßt und der es gestattet, das Kühlmittel direkt an in der Brennkammer stattfindenden Reaktionen teilnehmen zu lassen.