DE2255483C2 - Vorrichtung zum Beheizen von Gasen mittels eines Lichtbogens - Google Patents
Vorrichtung zum Beheizen von Gasen mittels eines LichtbogensInfo
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Description
Sinne des geringstmöglichen Risikos ausgelegt, da der
Lichtbogen permanent auf der Zwischenelektrode lokalisiert ist, wobei auch Vakuumpumpen nicht
erforderlich sind. Auch ist im Bedarfsfall eine Mehrfacheinbringung
von unter hohem Druck stehendem Gas zur Erhöhung des Gasstroms möglich.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Stromfühleranordnung ein an einen Oszillographen anschließbarer
Nebenschlußwiderstand sein, womit dann euie visuelle Stromanzeige möglich ist. Andererseits kann
aber auch der über den als gesteuerte Siliziumgleichrichter ausgebildeten Steuerschalter fließende Strom
direkt gemessen werden, um den Betriebsschalter zur
Abschaltung des den gesteuerten Siliziumgleichrichter ansteuernden Signals zu öffnen.
Der Betriebsschalter ist zweckmäßigerweise ein durch einen Hubmagneten betätigbarer Quecksilberschalter.
Bei visueller Anzeige des durch die Stromfühleranordnung erfaßten Stroms ist dabei bei Stromabfall
im Steuerstromkreis eine manuelle öffnung des Betriebsschalters möglich. Eine öffnung des Betriebsschalters ist bei Strömen von weniger als 200 Milliampere
zweckmäßig. Wenn der Strom dann auf Null fällt, schaltet der gesteuerte Siliziumgleichrichter ab.
Zur Vermeidung einer Beschädigung des gesteuerten Siliziumgleichrichters durch eine zu hohe Stromzunahmegeschwindigkeit
beim Einschalten liegt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Reihe zu
diesem ein Begrenzerelement, vorzugsweise in Form einer Drossel.
Zum Schutz des gesteuerten Siliziumgleichrichters gegen Spannungsspitzen liegt diesem in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung ein Dämpfungsstromkreis parallel.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Schwei-Ben oder Schneiden von Metallen, zur Gewinnung
heißer schnellströmender Gase oder zur Wärmeerzeugung bei endothermen chemischen Reaktionen verwendbar.
Typische chemische Reaktionen sind die Oxidation von Metallhalogeniden (einschließlich Silizium)
zu entsprechenden Metalloxiden oder die Herstellung von Metallcarbiden durch Umsetzung von
Metallhalogeniden (einschließlich Silizium) in Gegenwart von Kohlenstoff aus der Gasphase. Bei chemischen
Umsetzungen sind die beteiligten Gase Inertgase und/oder chemisch trennbare gasförmige Stoffe.
Da aufgrund des Lichtbogens eine gewisse Freisetzung von Elektrodenmaterial unvermeidlich ist, sollte
das Elektrodenmaterial zweckmäßig im Sinne einer jeweils geringstmöglichen Verunreinigung der an den
chemischen Prozessen beteiligten Stoffe gewählt werden. Als Elektrodenmaterialien kommen daher
Aluminium, Kohlenstoff, Kupfer, Gold, Eisen. Platin, Silber, Titan, Wolfram oder Zirkon bzw. Legierungen,
wie z. B. Aluminium-Magnesium, Kupfer-Gold, Kupfer-Platin-Silber, Kupfer-Silber, Kupfer-Zirkon oder legierte
Stähle in Betracht.
Die offene Hauptelektrode kann Anode oder Kathode sein. Die axial beabstandete andere Hauptelektrode
ist dann entweder Kathode oder Anode und vorzugsweise als einseitig geschlossener Hohlzylinder
ausgebildet, auf dem eine ein inneres Magnetfeld erzeugende Feldwicklung vorgesehen ist.
Die offene Hauptelektrode besitzt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Bohrung mit einem
von der Zwischenelektrode benachbarten Ende zunehmenden Innendurchmesser, so daß die Innenfläche
dieser hohlen Hauptelektrode unter einem Winkel von 1
bis 30° C, vorzugsweise 2 bis 20°, konisch ausgebildet ist.
Weiterhin kann auf der offenen Hauptelektrode eine Feldwicklung zur Erzeugung einer magnetischen
Betriebs-Spitzenflußdichte von beispielsweise bis 1.0TeHa vorgesehen sein, was zur Vermeidung von
Elektrodenerosion zweekmäßig ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Titandioxid in Form
einer Gasphasenoxidation. Bei diesem Verfahren wird ein Titanetrahalogenid, z. B. das Tetracblorid, unter
Bildung von pigmentartigem Titandioxid, in der Gasphase oxidiert Das Oxidationsverfahren wird bei
erhöhter Temperatur durchgeführt, wobei zur Einleitung
der Umsetzung eine Vorerhitzung auf eine ausreichend hohe Temperatur erfolgen muß. Dabei wird
zur Herstellung von pigmentartigem Titandioxid vorzugsweise Sauerstoff oder ein Inertgas erhitzt
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt
F i g. I eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Steuerstromkreises.
Gemäß F i g. 1 umfaßt die Vorrichtung eine offene Hauptelektrode 1 als Anode und eine davon axial
beabstandete weitere Hauptelektrode 2 in Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders als Kathode.
Dazwischen ist eine durch die Isolationsteile 4 und 5 gegenüber den Hauptelektroden elektrisch isolierte,
beidseitig offene Zwischenelektroden 3 angeordnet.
Die Hauptelektrode 1 besitzt einen ringförmigen Kanal ö, durch den zu erhitzendes Gas durch
Einlaßrohrleitungen 7 und 8 in eine Bohrung 9 in dieser Hauptelektrode geführt wird. Diese Bohrung 9 kann
einen von dem der Zwischenelektrode 3 benachbarten Ende zunehmenden Innendurchmesser aufweisen, wobei
ihre Innenfläche unter einem Winkel von vorzugsweise 2° bis 20° konisch ausgebildet ist. Die
Hauptelektrode 2 besitzt ebenfalls einen ringförmigen Kanal 10, der durch die Einlaßrohrleitungen 11 und 12
beschickt wird. Die Hauptelektroden 1 und 2 sind von einer nicht dargestellten Kammer umgeben, durch
welche Kühlwasser geleitet werden kann.
Ein Steuerstromkreis für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der F i g. 2 dargestellt. Die Hauptelektrode
1 und die Zwischenelektrode sind über einen gesteuerten Siliziumgleichrichter in Form eines Thyristors
13, der zum Kühlen mit einem wassergekühlten Kupferblock 14 versehen ist, elektrisch miteinander
verbunden. Das Kühlwasser wird durch eine Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 16 durch den Block 14 im
Kreislauf geführt. Im Steuerstromkreis liegen dn als
Drossel ausgebildetes Begrenzerelement 17 und eine Stromfühleranordnung 18 in Form eines Oszillographen,
der den Stromfluß im Steuerstromkreis visuell anzeigt. Die Drossel 17 verhindert ein zu schnelles
Ansteigen des Stromes durch den Thyristor und vermindert damit die Gefahr von dessen Beschädigung
(Zerstörung).
Paralle1 zum Thyristor 13 liegt ein Dämpfungsstromkreis
19, der diesen gegen hohe Spannungsspitzen schützt und durch einen Widerstand 20 in Reihe mit
einem Widerstand 21 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 22 gebildet wird. Ein
Trigger-Stromkreis 23 für den Thyristor 13 umfaßt eine einen stabilisierten, geglätteten Gleichstrom liefernde
Stromauelle 24. einen Betriebsschalter 25 in Form eines
Quecksilberschalters und einen Widerstand 26. Bei geöffnetem Bclriebsschalter 25 ist der Trigger-Stromkreis
23 stromlos. Die geerdete Hauptelektrode I und die Hauptelektrode 2 liegen über Leitungen 27 und 28
an einer Hochspannungsquelle, die eine Spannung von 100 V bis 20 kV und einen Strom 10 A bis 5 kA liefern
kann. Der Trigger-Stromkreis 23 wird durch Schließen des Schalters 25 eingeschaltet, so daß über die
Hauptelektroden 1 und 2 ein hoher Gleichstrom fließt. Da der Thyristor leitend ist, wird zunächst zwischen der
Hauptelektrode 2 und der Zwischenelektrode 3 ein Lichtbogen gezündet.
In die Kammer 10 und in das Innere 29 der Zwischenelektrode wird ein Gas eingeleitet, wodurch
der Lichtbogen für einen längeren Zeitraum auf die Hauptelektrode ί geführt wird. Die Stromfühieranordnung
18 zeigt die Überführung des Lichtbogens an, da dann der durch den Steuerstromkreis fließende Strom
abfällt. Wenn dieser Strom auf beispielsweise weniger als 200 mA abgefallen ist, wird der Betriebsschalter 25
geöffnet, um den Trigger-Stromkreis 23 abzuschalten. Damit erhält der Thyristor 13 keine Ansteuerung mehr.
so daß der Lichtbogen bei einem Abfall des in der Zwischenelektrode fließenden Stroms auf Null zwischen
der Hauptelektrode 1 und der Hauptelektrode 2 stabilisiert wird.
Sodann wird durch die Einlaßöffnungen 7 und 8 Gas eingeführt, das zusammen mit dem durch die Einlaßöffnungen
11 und 12 eingeführten Gas durch den Lichtbogen erhitzt und durch die Hauptelektrode 1 aus
der Vorrichtung abgeführt wird. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch mehr als eine Zwischenelektrode
vorhanden sein, die dann jeweils Teil eines Steuerstromkreises ist, so daß eine progressive Schaltung
des Lichtbogens von einer Zwischenelektrode auf die Hauptelektroden erfolgt.
Weiterhin kann auf der Hauptelektrode 1 eine nicht dargestellte Feidwickiung zur Erzeugung einer magnetischen
Betriebs-Spitzenflußdichte von beispielsweise 0,01 bis I.OTesla vorgesehen sein. Auch auf der
Hauptelektrode 2 kann eine nicht dargestellte, ein Magnetfeld in ihr erzeugende Feldwicklung vorgesehen
sein.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Beheizen von Gasen mittels eines Lichtbogens mit zwei axial im Abstand
voneinander angeordneten, an eine elektrische Hochstromquelle anzuschließenden Hauptelektroden,
von denen eine beidseitig offen ist und einen Gasauslaß aufweist und die andere geschlossen ist,
mit einer axial zwischen den Hauptelektroden angeordneten, von diesen elektrisch isolierten,
beidseitig offenen Zwischenelektrode, mit einem zwischen einer der Hauptelektroden und der
Zwischenelektrode liegenden Steuerstromkreis und mit mindestens einer Gaseinlaßeinrichtung zwischen
den Elektroden, gekennzeichnet durch einen Steuerstromkreis der eine zwischen die offene
Hauptelektrode (1) und die Zwischenelektrode (3) ohne eigene Spannungsquelle geschaltete Reihenschaltung
aus einem elektronischen Steuerschalter (13) und einer Stromfühleranordnung (18) sowie
einen Betriebsschalter (25) zum Anlegen einer Steuerspannung an den Steuerschalter (13) aufweist.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschalter (13) ein
besteuerter Siliziumgleichrichter ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromfühleranordnung
(18) ein Nebenschlußwiderstand ist.
4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsschalter
(25) ein durch einen Hubmagneten betätigbarer Quecksilberschalter ist.
5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem
gesteuerten Siliziumgleichrichter (13) ein Begrenzerelement (17), vorzugsweise eine Drossel, zur
Begrenzung der Geschwindigkeit der Stromzunahme in Reihe geschaltet ist.
6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum
gesteuerten Siliziumgleichrichter (13) ein Stromkreis (20, 21, 22) zur Dämpfung von Spannungsspitzen
geschaltet ist.
7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die offene
Hauptelektrode (1) eine Bohrung mit vom der Zwischenelektrode (3) benachbarten Ende zunehmendem
Innendurchmesser aufweist.
8. Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der hohlen
Hauptelektrode (1) unter einem Winkel von vorzugsweise 2° bis 20° konisch ausgebildet ist.
9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der offenen
Hauptelektrode (1) eine Feldwicklung zur Erzeugung einer magnetischen Betriebs-Spitzenflußdichte
von 0,01 bis 1,0 Tesla vorgesehen ist.
10. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene
Hauptelektrode (2) als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet ist.
11. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
geschlossenen Hauptelektrode (2) eine ein Magnetfeld in dieser erzeugende Feldwicklung vorgesehen
ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine aus der US-PS 33 60 983 bekanntgewordene Vorrichtung der vorgenannten Art besitzt eine Kathode
und eine Anode, wobei benachbart zur Kathode eine Zwischenelektrode vorgesehen ist und ein Einlaß zut
Einführung eines Gases dient, das zwischen die Kathode und die Zwischenelektrode strömt. Ein unter hohem
Druck stehendes Gas (Luft) strömt zwischen der Zwischenelektrode und der Anode in die Vorrichtung
ein. Zur Zuführung von elektrischer Energie zur Heizvorrichtung sind zwei Kreise erforderlich, von
denen der erste durch eine Spannungsquelle, einen Schalter und einen Widerstand gebildet wird, welche
zwischen die Kathode und die Zwischenelektrode geschaltet sind. Der Hauptkreis zur Energiezuführung
umfaßt eine weitere Spannungsquelle und einen Schalter, welche zwischen die Kathode und die Anode
geschaltet sind. Der Lichtbogen in dieser Heizvorrichtung wird gemäß einer festgelegten Sequenz gezündet.
Über den Einlaß wird Stickstoff in die Vorrichtung eingeleitet und über die Kathode und die Zwischenelektrode
Energie zugeführt, so daß ein Bogen zwischen diesen Elektroden gezündet wird. Dieser Bogen bewirkt
eine Ionisation des Stickstoffs, welcher mittels einer Vakuumpumpe durch die Vorrichtung gezogen wird, so
daß ein Bogen zwischen der Kathode und der Anode gezündet werden kann. Anfänglich sind in dieser
Vorrichtung zwei Bögen, nämlich ein Pilotbogen und ein Hauptbogen, vorhanden. Wenn der Hauptbogen gezündet
ist, wird der Schalter geöffnet, um die Energiezufuhr zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode zu
unterbrechen, so daß der Pilotbogen zwischen diesen Elektroden gelöscht und darauf vertraut wird, daß der
Hauptbogen zwischen der Kathode und der Anode erhalten bleibt. Nach dem öffnen des Schalters und
nach dem Löschen des Pilotbogens kann der Hauptstrom von unter Druck stehendem Gas in die
Vorrichtung eingelassen werden. Dabei erfolgt daher die Zuführung von Stickstoff unter geringem Druck
zwischen die Zwischenelektrode und die Kathode zur Zündung eines Pilotbogens sowie zur Ionisation des
Stickstoffgases, das zur Ermöglichung der Zündung des Hauptbogens dient und das durch einen unabhängigen
Energieversorgungszweig zugeführt wird. Der ionisierte Stickstoff wird mittels der Vakuumpumpe durch die
Heizvorrichtung gezogen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art
anzugeben, mit der eine Gewinnung heißer Gase in einem kontinuierlichen Prozeß mit minimalen Unterbrechungsvorgängen
durch Schalter durchführbar ist, wobei ohne Vakuumpumpen unter Ausnutzung des verwendeten Gases ein Lichtbogen zündbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gegenüber der oben erläuterten Vorrichtung nach der US-PS 33 60 988 besitzt die erfindungsgemäße
Vorrichtung den Vorteil eines vereinfachten Steuerstromkreises ohne eigene Spannungsquelle mit einem
Minimum an manuellem Betrieb. Die Stromfühleranordnung zeigt an, wann sich der Lichtbogen von der
Zwischenelektrode wegbewegt, wobei durch Betätigung des Betriebsschalters ein Zustand eingeleitet wird,
in dem der Steuerschalter nicht leitend geschaltet wird, wenn der Strom auf Null fällt. Die Vorrichtung schaltet
daher automatisch in den Betriebsstand. Sie ist daher im
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