DE2114277C - Elektrodenloser Plasmabrenner - Google Patents

Description

5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 mantel der Brennkammer angeordneten Ankoppbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerad- lungsgliedern zur Ankopplung der von einer Hochzahlige Anzahl von Ankoppelgliedern (11,12,22) frequenzquelle erzeugten elektrischen Energie bevorgesehen ist, wobei die dem Ende der Brenn- kannt, bei dem die Brennkammer vertikal angeordnet kammer (1) zugeordneten Ankoppelglieder (11, 35 ist und um ihre Längsachse drehbar gelagert ist 22) auf Erdpotential liegen. (Deutsche Auslegeschrift 1239 033). Bei diesem be-

6. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 kannten Plasmabrenner wird unter Ausnutzung der bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung Zentrifugalkraft ein an der Innenwand entlang fühvon Brennkammeraußenwand und Ankoppelgüe- render Gasstrom erzeugt, welcher die Aufgabe hat, dem eine kombinierte Öl-Wasser-Kühlung vorge- 40 die Piasmaflamme zu stabilisieren und die Brennkam sehen ist. merwandung 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

45 Flüssigkeitsschicht die Drehgeschwindigkeit sehr

hoch gewählt werden, wodurch jedoch die Dicke der

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroden- Schicht derart abnehmen würde, daß sie nicht mehr

losen Plasmabrenner mit einer vertikal angeordneten, zu Kühlung und Stabilisierung beitragen könnte,

zylindrischen und um ihre Zylinderachse drehbaren Auch wäre ein derart modifizierter Plasmabrenner

Brennkammer, die von mit einer Hochfrequenz- 50 nicht geeignet für die obengenannten Anwendungen,

energiequelle verbundenen Ankopplungsgliedern um- bei denen die Flüssigkeit ein Reaktionspartner ist

geben ist Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektroden-

Elektrodenlose Plasmabrenner finden in vielen losen Plasmabrenner der eingangs genannten Art Bereichen der Hochtemperaturchemie, insbesondere zu schaffen, der die Nachteile bekannter Ausruhrunder anorganischen Plasmachemie ein vielfältiges An- 55 gen nicht aufweist und der eine bessere Stabilisierung Wendungsgebiet (vgl. Chemie-Ing.-Technik 42, Nr. 9/ des Plasma sowie eine intensivere Kühlung der 10, S. 617 ... 629 [1970]). Gegenüber Lichtbogen- Brennkammerwandungen zuläßt und der es gestat-Plasmabrennera bieten elektrodenlose Ausführen- tet, das Kühlmittel direkt an in der Brennkammer gen den Vorteil, daß der Reaktionsraum nicht durch stattfindenden Reaktionen teilnehmen zu lassen. Elektroden-Verbrennungsrückstände verunreinigt 60 Diese Aufgabe wird bei einem elektrodenlosen wird und daß die Elektroden nicht durch aggressive Plasmabrenner der eingangs genannten Gattung da-Reaktionspartner angegriffen werden. durch gelost, daß erfindungsgemäß die Brennkammer

Anwendungsbeispiele für elektrodenlose Plasma- oben offen ist und an der unteren Stirnseite einen brenner sind die Acetylen-Erzeugung, Herstellung diese abschließenden Flüssigkeitsbehälter aufweist, von Titan- und Bornitriden, Synthese von Hydrazin, 65 der einerseits mit dem Innenraum der Brennkammer Ozon usw. Bei den beiden letztgenannten Verfahren und andererseits mit einem Niveaugefäß kommumist jeweils einer der Reaktionspartner eine Flüssig- ziert und der von einer Gaszuführungsleitung durchkeit (flüssiges Ammoniak bzw. flüssiger Sauerstoff).; setzt ist, welche oberhalb des sich in der Btennkarn-

Ιργ im Betrieb einstellenden Flüssigkeitsspiegel? in

Iw Brennkammer mündet MMe Erfindung wird nachstehend an Hand der

■Zeichnungen in Verbindung mit deren Beschreibung

edtutert In der Zeichnung zeigt

■Jig 1 eine vereinfachte Darstellung eines Aus- Gas dissoniert eben!aus, so daß in bid Flüssigkeit Dampf

Gas dissoniert eben!aus, so daß in der ^ nebeneinander Flüssigkeit, Dampf, Gas dissoz Dampf, dissozüertes Gas und PIa^ vorliegen.

Die Relativbewegung von fto^gj™ und Plasma andererseits hat eine verschiedenen Phasen im ^R^^e

elekiodenlosenPIasmabrenners mit drehbarer Brenn-

TFIg-I dient ein Quaizrohrl als Brennkam_mer dessin oberes Ende mit einem nach innen wei-S Kragen la versehen ist Das untere Ende des ohS ist mit einer HohlweUe2 verbunden. gesamte aus Quarzrohr und Hohlwelle be-Sehelde Anordnung ist axial und radial in Laeem 3,4 gelagert Mit der Antriebsvorrichtung 5 kann diese Anordnung in Rotation versetzt werden. oTuntere Ende der HohlweUe 2 :aucht in einen dosenfönnigen, nicht mitrotierenden Behälter 6 ein, der über eine Rohrleitung 7 mit einem Niveaugefaß 8 ta Verbindung steht Das Quarzrohrl, die Hohl-Seile 2 und cänt auch der Behälter 6, Rohrleitung 7, Tcmie Niveaugefäß 8 sind bis zur Höhe h₀ mit FHbsigkcit9 gefüllt-in Fig.1 strichüert angedeutet b% Ankoplplung der von einer Hochfrequenzenergiequelle 10 eLugW elektrischen Energie erfolgt über r. ! Ankoppelglieder 11,12. Diese umgeben d'.e verdan^fendeHüsdgkeittcmr«raa^jabilisi ίο dieBrennkammerwandungeri(Siedekuhlung).

Der Flüssigkeitsverbrauch wird mittel? emes mit

dem Niveaugefäß 8 über em MagnetvenfflM jer

bundenen Vorratsbehälters 18 !«f«¹ f^Jr S

diesem Zweck ist das Niveaugefaß8 ■££»«■£

das Magnetventil 17^ wirkenden ^f^^eter

wachungseinrichtung 19 versehen. MkHäfe dieser

Einrichtung läßt sich auch die Füllhohe Λ_ο aer Brennkammer einstellen. riektrodenlosen

Ein Ausführungsbeispiel ™J*52S*irt

- Plasmabrenners mit rotierender Brennkammer

in F i g. 2 dargestellt Ouarzrohr 1

Die Brennkammer wird durch ein Q^" gebüdet Es eignet sich ^oemRJrm^

Keramik^ *-Ρ^~*^ΐΐΑ HouSe 2 »5 unteren Ende.st das QuamohrIm eme ho mwe

eingekittet Dieser ^^^?SS

wird

einem

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Bohrung im Boden des Behälters6 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 Zt₀ 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 Hochfrequenzenergiequelle 10 und Zünden des Plasmas bildet sich im Innern der Brennkammer eine Plasmasäule P aus (in F i g. 1 durch die doppelt schraffierte Fläche angedeutet).

Ist die Flüssigkeit 9 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 rung erfolgt vomBefodterl6j^ber die

^teilbare ™£j ¹^T'^al verschiebbare konzenmsch in 1der Höhiweue * ^

Rohr 13. Durch dieses Konr «um^ j ^

4» kammer eingeleitet ««uvu, «w—— _r

oder das Gas selbst in der Brennkammer miteinander ~~" * ' " chemisch reagieren verden in dem Dom 21 am oberen Ende der Brennkammer auf-

gefangen.

Auf dem Außenmantel der Brennkammer sind drei Ankoppelglieder 11,12, 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 Ankoppelgliedern 11,12,22 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 Brennkammerwandungen. Darüber hinaus müssen auch die Ankoppelglieder selbst gekühlt werden. Dies erfolgt durch eine kombinierte Öl-Wasser-Kühlung. Zu diesem Zweck sind die Metallringe 23, 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 Anschlußstück 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 Metallringe 23, 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 Hf-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 Ankoppelglieder 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 Aus-

xo laßstelle 40 wieder zu verlassen.

Bei dem oben beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel erfolgte die Ankopplung der elektrischen Energie an das Plasma kapazitiv, entsprechend der in der obengenannten nicht veröffentlichten Patentanmeldung

is 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

•ο 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

as 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Aus der deutschen Patentschrift 954816 ist ein Patentansprüche: lichtbogen-plasmabrenner bekannt, bei dem der Lichtbogen zwischen einer in einer Wirbelkammer

1. Elektrodenloser Plasmabrenner mit einer angeordneten Kohleelektrode und einer außerhalb vertikal angeordneten, zylindrischen und am ihre 5 der Kammer angeordneten Gegenelektrode gebildet Zylinderachse drehbaren Brennkammer, die von wird, wobei die Plasmasäule innerhalb der Kammer mit einer HochfrequenzenergiequeBe verbände- in einen von einem Häsägkeitswirbel gebildeten nen Ankopplungsgliedern umgeben ist, da- Kanal verläuft. Der Flüssigkeitswirbel wird gebildet durch gekennzeichnet, daß die Brenn- durch tangential·» Einspritzen von Wasser in die kammer (1) oben offen ist und an der unteren io Wirbelkammer.

„Stirnseite einen diese abschließenden Flüssig- Das Wasser hat die Aufgabe, die Kohleelektrode

keitsbehälter (6) aufweist, der einerseits mit dem zu kühlen und die Plasmasäule einzuschnüren, um

Innenraum der Brennkammer (1) und anderer- damit zur Temperatursteigerung des wirksamen

seits mit einem Niveaugefäß (8) kommuniziert Plasmastrahles beizutragen. Es läge nun nahe, die in

und der von einer Gaszuführangsieitung (13) 15 der genannten Patentschrift beschriebene Anordnung

durchsetzt ist, welche oberhalb des sich in der auch auf elektrodenlose Plasmabrenner zu übertra-

Brennkammer (1) im Betrieb einstellenden Flüs- gen und gleichzeitig das Wasser durch eine andere

sigkeitsspiegels in der Brennkammer (1) mündet Flüssigkeit, beispielsweise einen Reaktionspartner

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch für die angestrebte Synthese, zu ersetzen. Eine dergekennzeichnet, daß zur Ankopplung der elektri- *o artige Übertragung würde jedoch mit erheblichen sehen Energie kapazitive Ankoppelglieder (11, Schwierigkeiten verbunden sein. Nachteilig wären die 12,22) vorgesehen sind. durch die Elektroden-Verbrennungsrückstände ver-

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch ursachten Verunreinigungen des Reaktionsraumes ν gekennzeichnet, daß zur Ankopplung der elektri- einschließlich der Flüssigkeit Ein weiterer noch

sehen Energie induktive Ankoppelglieder vor- »5 schwerer wiegender Nachteil bestünde darin, daß

gesehen sind. die Feldverteilung im Innern der Kammer durch die

4. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 verwirbelte Flüssigkeit — bedingt durch die Art und bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn- Weise ihrer Erzeugung — unbestimmt würde, kammer (1) ein Quarz- oder Oxydkeramik-Rohr Es ist weiterhin ein elektrodenloser Plasmabrenist 30 ner mit einer Brennkammer und auf dem Außen