DE2309188A1

DE2309188A1 - Verfahren zum kuehlen eines plasmabrenners und nach diesem verfahren gekuehlter plasmabrenner

Info

Publication number: DE2309188A1
Application number: DE19732309188
Authority: DE
Inventors: Gordon Thomas Dyos
Original assignee: Electricity Council
Current assignee: Electricity Council
Priority date: 1972-02-23
Filing date: 1973-02-23
Publication date: 1973-08-30
Also published as: IT977878B; FR2173228B1; GB1380966A; NL7302485A; JPS4899060A; US3830428A; FR2173228A1; BE795891A; CA971633A

Description

Γ Λ T 1· N T Λ M W Λ LT E DI P L. - I N G. F. Wk I C K M ANN, ^ VlOO

Dii'L.-Ing. H. Wk ic JiK λ ν ν, Dh-l.-Phys. Dr.. K. Γινοκε

Ir, DiFL.-Chi-m. B. ΗυιίΕκ

8 MUNCHiN S6, DEN POSTFACH S60 820

MÖIILSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39Pl/22

<983921/22>

ΪΙΚ EJiECI¹UIClTY COUNCIL

50 Hillbank

London S.W. 1 / England

Verfahren z\ira Kühlen eines Plasmabrenners und nach diesem Verfahren gekühlter Plasmabrenner

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer ein EinschnLirungsrohr aus einem porösen Material aufweisenden Düse eines Plasmabrenners, sowie einen nach diesem Verfahren gekühlten Plasmabrenner.

Es sind Plasmabrenner bekannt geworden, deren Düse durch eine Kühlflüssigkeit (normalerweise Wasser) gekühlt wird, die durch eine die Düsenöffnung umg"eTDende ringförmige Kammer strömt. Ein Düsrnhals der Düse kann entweder über die gleiche Kammer oder eine hiervon getrennte Kummer gekühlt v/erden. Das Material der Düse ist für die Kühlflüssigkeit undurchlässig und ein in einer derartigen Anordnung durch einen Plasmabrenner erzeugter Lichtbogen ist als "wassergekühlte:· Lichtbogen" bekannt.

309835/0564

Die Düse des Plasmabrenners ist so ausgebildet, daß sie einen Düsenhals aufweist, der in eine öffnung übergeht. Derjenige Teil der Düse, der die öffnung enthält, ist als Einschnünm>csrohr (constrictor tube) bekannt.

Weiterhin ist es z. B. aus den folgenden Aufsätzen : "Transpiration cooling of a constricted Electric-arc Heater" von J.E. Anderson und E.R. G. Eckert, AIAA Journal, April 1967; "Experimental Investigation of a Transpiration-Cooled, Constricted Arc" von E. Pfender, G. Gruber und Ij.R. G. Eckert, Proceedings of the Third International Symposium on High Temperature Technology, abgehalten September 1967; "Study of a Transpiration-Cooled, Constricted Arc" von J. Heberlein, E. Pfender und E.R. G. Eckert, ARL Technical Documentary Report 70-0007, Office of Aerospace Research, United States Air Force; und

"Transpiration-Cooling of the Constrictor Walls of an Electric High-Intensity Arc", von J. Heberlein und E. Pfender, Transactions of the ASME, Mai 1971, bekannt, das Einschnürungsrohr des Plasmabrenners aus einem porösen Material herzustellen und beim Betrieb des Plasmabrenners ein durch die Wände des Einschnürungsrohrs tretendes Gas (normalerweise Argon oder Stickstoff) zuzuführen. Ein durch einen Plasmabrenner dieser Bauart erzeugter Lichtbogen ist als "strömungsgekühlter Lichtbogen" (transpiration-cooled arc) bekannt.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, die Betriebseigenschaften dieses bekannten Plasmabrenners erheblich zu verbessern.

Sie löst diese Aufgabe in dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß während des Betriebs des Plasmabrenners V/asser durch das poröse Material in eine Düsenöffnung der Düse gepreßt wird.

309835/0564

Ein entsprechend diesem Verfahren gekühlter Plasmabrenner, dessen Düse das aus dem porösen Material bestehende Einschnürungsrohr aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserzuleitungseinrichtung der Außenseite des Einochnürungrohres Wasser zuführt, und daß eine Pumpe den Druck des zugeführten Wassers auf einen vorbestimmten Wert erhöht.

Die Porengröße des porösen Materials liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,5 - 1500 Mikron, am vorteilhaftesten jedoch bei 15 Mikron. Das Einschnürungsrohr kann aus einem Keramikmaterial bestehen.

Ein DUsenhalsteil kann ausbaubar in und abgedichtet zu einer Hülse des Plasmabrenners angeordnet sein und eine umlaufende Ausnehmung aufweisen, die zusammen mit einer inneren Oberfläche der Hülse einen Hohlraum bildet, der das durchströmende Kühlwasser aufnimmt. Auf diese Weise kann das Kühlwasser über Einlaß- und Auslaßrohre durch die Wand der Hülse treten und in der umlaufenden Ausnehmung zirkulieren, ohne daß das Kühlsystem beim Ausbauen des Düoenhalsteils behindern würde.

Das EinschnUrungsrohr ist vorzugsweise ausbaubar und der Düsenhalsteil weist vorzugsweise einen mit der umlaufenden Ausnehmung versehenen und ausbaubar zur Hülse abgedichteten ersten Halsteil und einen zwischen dem ersten Halsteil und dem Einschnürungsrohr angeordneten zweiten Halsteil auf, der zum ersten Halsteil hin abgedichtet und aus dem Plasmabrenner ausbaubar ist. Damit kann, falls die Öffnungsgröße der Düse geändert werden sollte, das Einschnürungsrohr durch ein EinschnUrungsrohr mit der geforderten Öffnungsgröße ersetzt werden und der zweite Halste.il des Düsenhaisteils kann durch ein entsprechend ausgebildetes, das erste Halsteil an das ausgewechselte Einschnürungsrohr anpassendes Teil ersetzt werden.

309835/0564

Beim Betrieb des Plasmabrenners wird Y/aonsr durch die poröse Wand dos Einschnürungsrohrs gedruckt und Leim Austreten auf der Innenseite des EinschnuiT^jgnrohrs'teilweise verdampft. Die Verwendung von V/asser air; durchs'rcpjendes Medium führt zu einer Reihe von Vorteilen gegenüber der Verwendung eines Gases als durchitrcracriG-.o Medium. Derartige Vorteile sind:

a) Teilweise verdampftes Waöser absorbiert mehr vom Plasmabogen abgestrahlte Hitaeenergie v.lv> es bei einem durchströmenden Gas der Pail v/äre. Bei Verwendung von V/asser müssen deshalb keine Hilfseinrichtungen verwendet werden, die das Ausmaß der auf die Wand des Einochnürungsrohrs einwirkenden abgestrahlten Hitzeenergie vermindern.

b) Die große Volumenänderung, die sich bei Verdampfung von Wasser einstellt, führt zu einer stärkeren Einschnürung des Lichtbogens und damit zu einer höheren Energiedichte als sie bei Verwendung eines durchströmenden Gasen erreichbar wäre.

c) Die Grenze zwischen dem Plasmabogen und der umgebenden Schicht teilweise verdampften V/assers ist schärfei· ausgebildet, als es bei Verwendung eines durchströmenden Gases der Fall wäre.

d) Die akustische Abstrahlung des Plasmabogens aus dem Einschnürungsrohr heraus ist geringer. Dies beruht vermutlich auf einer gegenüber der Verwendung eines durchströmenden Gases geringeren Turbulenz des den Plasmabogen umgebenden teilweise verdampften V/assers. Aufgrund der höheren Dichte des Dampfs und der w'assertropfen ist die Strömung stromlinienförmiger.

309835/0564

e) Das teilweise verdampfte Wasser absorbiert ultraviolette Strahlung des Placmabogens besser als durchströmendes Gas.

Die erhöhte Leistungsdichte des Lichtbogens ergibt Rieh aus der Einschnürung durch das teilweise verdampfte durchströmende Wasser und führt zu einem Plasmabrenner, dessen Schnittqualität verglichen mit herkömmlichen wassergekühlten Lichtbogen und gas-ströniungsgekühlten Lichtbögen verbesrsert ist. Außerdem ist die maximale Liniearsehnittgesehwindigkeit, bei der befriedigende Schnittqualität erreichbar ist, größer als bei derartigen Lichtbogen.

Nachfolgend sollen spezielle Ausfiihrungsfaraien der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene schematische Darstellung eines Plasmabrenners;

Fig. 2 einen teilweise schematischen Längsschnitt im Bereich einer Düseneinheit des Plasmabrenners nach Fig. 1; und

Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt einer anderen Ausführungsform der Düseneinheit nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Plasmabrenner 10 dargestellt, der einen Brennerkörper 11 mit einer darin angebrachten wassergekühlten Kathode 12 aufv/eist. Die Kathode 12 wird herkömmliche wassergekühlt, wobei das Wasser über ein am oberen Ende des Plasmabrenners 10 angeordnetes Einlaßrohr 13 zugeführt und über ein ebenfalls am oberen Ende des Plasmabrenners 10 angeordnetes Auslaßrohr 14 abgeführt wird. Die Kathode 12 weist ein Konusteil 15 auf, das in einer verrundeten Spitze 16 endet. Das Konusteil 15 ist innerhalb eines konusförmigen Düsenhalsteils 17 der Düseneinheit des Plasmabrenners 10 angeordnet.

309836/0564

"· O "■

Das konusförmige Düsenhaisteil 17 geht in eine zylindrische Öffnung in einem zum Dtisenhalsteil 17 koaxialen Einschnürungsrohrteil 10 über.

Das Dünenhalsteil 17 besteht aus Kupfer und "bildet einen inneren ringförmigen Hohlraum 19, durch den in herkömmlicher Weise V/asser zur Kühlung der Kathode 12 strömt.·

Das Einschnürungsrohrteil 18 besteht aus einem Rohr aus porösem Keramikmaterial um &as herum ein ringförmiger Hohlraum 20 angeordnet ist. Der ringförmige Hohlraum 20 ist Über ein Einlaßrohr 21 an eine Pumpe 22 angeschlossen, die zur Durchströmkühlung des Einschnürungsrohrteiles 18 den Druck des zugeführten V/assers auf etwa 21 at (300 lbs/sq.in) einregelt.

Fig. 2 zeigt die Düseneinheit und benachbarte Bauteile genauer. Das Düsenhaisteil 17 weist grundsätzlich eine obere horizontale Scheibe mit einem großen Mittelloch, eine untere horizontale Scheibe vom gleichen Radius wie die obere horizontale Scheibe, jedoch mit einem kleinen Mittelloch und eine konische Wand auf, die die Berandung des großen Mittellochs mit der Berandung des kleinen Mittellochs verbindet.

Das Dlisenhalsteil 17 ist in einer Hülse 23 befestigt und gegenüber der inneren Oberfläche der Hülse 23 abgedichtet. Zur Abdichtung dient ein in eine Umfangsnut in der Kante der oberen horizontalen Scheibe eingelegter oberer O-Ring 24, und ein in eine Umfangsnut in der Kante der unteren horizontalen Scheibe eingelegter unterer O-Ring 25. Die obere und die untere horizontale Scheibe sowie die konische Wand bilden eine periphere Vertiefung, die bei Abschluß durch die innere Oberfläche der Hülse 23 zum Hohlraum 19 wird. Ein Einlaßrohr 26 und ein Auslaßrohr 27 kommunizieren, abgedichtet an der Hülse 23,

309835/0564

mit dein Hohlraum 19 und führen Kühlwasser zu bzv. ab. Auf diese Weise kann das Düsenhalsteil 17 aus der Hülse 23 entfernt v/erden, ohne das Einläßrohr 26 und das Auslaßrohr 27 abnehmen zu müssen.

Der Brennerkörper 11 v/eist eine kurze, sich nach unten erstreckende Ringwand 28 auf, die in die Hülse 23 paßt und einen die oberste Lage des Düsenhalsteils 17 festlegenden Anschlag bildet. Das Düsenhaisteil 17 wird in der Hülse 23 durch einen Haltering 29 gehalten, der in eine an der inneren Oberfläche der Hülse 23 eingearbeitete Ausnehmung eingepaßt ist.

Eine der Außenseite der Hülse 23 angepaßte Isolierhülse 30 weist an ihrer Unterkante einen nach innen gerichteten Flansch 31 mit einer kreisförmigen Mittelöffnung auf, deren Durchmesser wenig kleiner ist als der Innendurchmesser der Hülse Auf die Isolierhlilse 30 ist eine Kappe 32 geschraubt. In die Kappe 32 ist eine Haltekappe 33 geschraubt, die das Rohr aus porösem Keramikmaterial,aus dem das Einschnürungsrohrteil besteht, nach oben gegen die untere Oberfläche des Düsenhalsteils 17 und damit dieses wiederum nach oben gegen die Ringwand 28 preßt. An der oberen Oberfläche des Einschnürungsrohrteils 18, sowie zwischen dessen unterer Oberfläche und der Haltekappe 33 sind Dichtungen 34 vorgesehen. Der Durchmesser des kleinen Mittellochs in der unteren horizontalen Scheibe des Düsenhalsteils 17 ist gleich dem Durchmesser der zylindrischen Öffnung im Einschnürungsrohrteil 13. Die Haltekappe 33 weist außerdem eine zur zylindrischen Öffnung im Einschnürungsrohrteil 18 koaxiale Auctrittsöffnung 35 gleichen Durchmessers auf, deren untere Begrenzungskanten abgeschrägt sind.

Das Eingangsrohr 21 ist mit einem oberen Ende eines vertikalen Kanals 37 in der Wand der Hülse 23 verbunden. Das

309835/0564

obere Ende des Kanals 37 ist ansonsten verschlossen und nein unteres Ende öffnet sich in eine flache, ringförmige Ausnehmung 38 in der oberen Oberfläche des Flansches 31. Eine Serie enger Bohrungen 39 führt von der ringförmigen Ausnehmung 38 in den ringförmigen Hohlraum 20 zwischen dem Einschnürungsrohrteil 18 und dem Flansch 31. Die Bohrungen verlaufen unter einem Winkel von 60 ° zur Längsachse des Pia srnabrenners.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausfuhrungsform der Anordnung nach Fig. 2, in der das Diisenhalsteil 17 andersartig ausgebildet ist und aus einem oberen Halsteil 17a und einem unteren Halsteil 17b besteht. Das obere Halsteil 17a ist im Prinzip genauso ausgebildet wie das in Fig. 2 dargestellte Diisenhalsteil 17, unterscheidet sich aber dadurch, daß die Öffnung am unteren Ende größer und mit einem Gewinde versehen ist, das das untere Halsteil 17b aufnimmt,und daß sich die die obere und die untere horizontale Scheibe verbindende Wand axial erstreckt und an ihrem unteren Ende nach innen umgebogen ist um mit einem entsprechenden Teil des unteren Halsteils 17b eine nach innen gerichtete Schulter 40 zu bilden, die in einen konischen Hals 41 des unteren Halsteils 17b übergeht. Der konische Hals 41 entspricht dem unteren Teil des Düsenhalsteils 17. Zwischen dem oberen und dem unteren Halsteil 17a und 17b ist eine O-ringförrnige Dichtung 42 vorgesehen.

Bei Verwendung der obenstehend beschriebenen Ancrdnung nach Fig. 3 kann die Größe der zylindrischen Öffnung des Plasmabrenners auf einfache V/eise geändert werden, indem das untere Halsteil 17b, das Einschnürungsrohrteil 18 und die Haltekappe 33 durch gleichwertige, jedoch eine andere Größe der zylindrischen öffnung aufv/eisende Bauteile erßetzt werden.

309835/0564

Die Porosität des Keramikmaterial soll einerseits nicht so klein gewählt v/erden, daß das durchströmende Wasser mit

zu hohem Druck zugeführt werden muß, soll aber andererseits auch nicht so groß sein, daß dem Einsehnürungsrohrteil 18 zu viel Wasser zugeführt wird. Ein bevorzugter Bereich der Porengröße liegt zwischen 1,5 - 1300 Mikron. Am vorteilhaftesten liegt die Porengröße bei 15' Mikron; eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden V/assers liegt hierbei bei 100 ml/min für einen Öffnungsdurchmesser von 5 mm. Unter diesen Bedingungen beträgt das Einschnürungsverhältnis etwa 3 : 1, d. h. mit anderen Worten, der Lichtbogen wird durch das teilweise verdampfte Wasser eingeschnürt und sein wirksamer Durchmesser beträgt etv/a 1/3 des Durchmessers der Öffnung im Einschnürungsrohrteil 18.

Da das Einschnürungsrohrteil 18 aus Keramikinaterial besteht, wird die Neigung des Plasmabrenners, einen doppelten Lichtbogen zu bilden, stark reduziert. Dieser Vorteil des aus Keramikmaterial hergestellten Einschnürungsrohrteils 18 muß jedoch nicht unbedingt ausgenützt werden; das Einschnürungsrohrteil 18 kann aus jedem anderen porösen Material, z. B. aus gesintertem Metall, hergestellt sein.

Die Öffnung des Einschnürungsrohrteils 18 kann ein Profil aufweisen, durch das ein gewisser Pokussiereffekt erreicht werden kann, etwa in der Art, daß der Durchmesser des Lichtbogens im Bereich oder in der Nähe des Austritts der Öffnung verringert v/ird.

309835/0564

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. \ Verfahren zum Kühlen einer ein Einschnürungsrohr aus einem porösen Material aufweisenden Düse eines Plasmabrenners, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs des Plasmabrenners V/asser durch das poröse Material in eine Düsenöffnung der Düse gepreßt wird.

2. Entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 gekühlter Plasmabrenner, dessen Düse das aus dem porösen Material be-Btehende Einschnürungsrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserzuleitungseinrichtung (21,37>36,39»20) der Außenseite des Einschnürungsrohrs (18) Wasser zuführt, und daß eine Pumpe (22) den Druck des zugeführten Wassers auf einen vorbestimmten Wert erhöht.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material ein Keramikmaterial ist.

4. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße des porösen Materials im Bereich von 1,5 bis 1500 u liegt.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße bei 15 M liegt.

6. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine Hülse (23) und ein abgedichtet in der Hülse (23) ausbaubar angeordnetes Düsenhalsteil (17;17a,17b) mit einer umlaufenden Ausnehmung aufweist, das zusammen mit einer inneren Oberfläche der Hülse (23) einen Hohlraum (19) bildet, der durchströmendes Kühlwasser aufnimmt.

309835/0564

7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß Einschnürungεrohr (18) ausbaubar ist, und daß das Düsenhaisteil (17a,17b) einen mit der umlaufenden Ausnehmung versehenen und ausbaubar zur Hülse (23) abgedichteten ersten Halsteil (17a) und einen zwischen dem ersten Halsteil (17a) und dem EinschnUrungsrohr ('8) angeordneten zweiten Halsteil (17b) aufweist, der zum ersten Halsteil (17a) hin abgedichtet und aus dem Plasmabrenner ausbaubar ist.

309835/0564