-
Kühleinrichtung bei einem Plasmabrenner
-
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung bei einem Plasmabrenner
mit einer an einem Düsenstock befestigten Düse und einem Düse und Düsenstock umgebenden
Gehäuse, wobei zwischen Gehäuse und Düsenstock mindestens ein Zuführ- und ein Abführkanal
für das die Düse außen umströmende Kühlmittel vorgesehen ist.
-
Bei Plasmabrennern der vorgenannten Art weist der Plasmastrahl Temperaturen
im Bereich von 2000 bis 30000C auf.
-
Hierdurch ist es erforderlich, die Düse, aus welcher der Plasmastrahl
austritt, zu kühlen. Bei den bekannten Brennerkonstruktionen ist die Kühlung jedoch
nicht ausreichend, denn die am meisten bei diesen Brennern auftretende Schadensursache
ist ein An- und Ab schmelzen der Düse.
-
Es sind verschiedene Kühlsysteme zum Kühlen der Düse bekannt. Eine
Konstruktion besteht darin, daß die Düse von einem Einsatz umgeben ist, der sternförmig
auf den Düsenaußenmantel gerichtete Bohrungen aufweist. Über einen axial verlaufenden
Zuführkanal strömt das Kühlmedium
von einer Seite des Einsatzes
durch die Bohrungen hindurch und tritt an der anderen Seite des Einsatzes wieder
aus. Von dort wird es über einen axial verlaufenden Abführkanal abgeführt. Der Bereich
der Düsenaußenfläche, der hierbei im Kontakt mit dem Kühlmittel steht, ist relativ
gering. Diese Fläche ist in jedem Fall wesentlich kleiner als die Düseninnenfläche.
Weiter ist von Nachteil, daß, bedingt durch den komplizierten Aufbau, zahlreiche
Dichtringe vorgesehen werden müssen.
-
Weiter ist von Nachteil, daß von der Düse eine erhebliche Wärmemenge
auf den die Düse haltenden Düsenstock übertragen wird, der seinerseits Wärme auf
das Gehäuse überträgt, wobei Düsenstock und Gehäuse nur unzureichend gekühlt sind.
-
Bei einem anderen Plasmabrenner wird über eine axial verlaufende Bohrung
das Kühlmittel einem Ringkanal zugeführt, welcher die Düse umgibt. Dem Zuführkanal
gegenüber liegt ein im Ringkanal mündender Abführkanal. Auch hier sind die gleichen
Nachteile wie vorstehend genannt zu verzeichnen. Insbesondere bilden sich im Ringkanal
Bereiche, bei denen die Kühlmittelströmung gering ist, da das Kühlmittel bestrebt
ist, auf dem direkten Wege vom Zu- zum Abführkanal zu strömen.
-
Bei den vorgenannten Plasmabrennern ist weiterhin nachteilig, daß
bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel sich Dampfblasen bilden können, welche
vom Kühlmittel nicht oder nur unzureichend abgeführt werden. Dies führt zu einer
sofortigen Überhitzung im Bereich der Dampfblasenbildung.
Um die
Kühlleistung zu erhöhen, ist man deshalb gezwungen, den Kühlmitteldurchsatz zu erhöhen,
was bedeutet, daß das Kühlmittel unter entsprechend hohem Druck zugeführt werden
muß. Durch die zahlreichen Durchtrittsspalte und Verengungen im Kühlmitteldurchflußsystem
sind jedoch dem Kühlmitteldurchsatz Grenzen gesetzt.
-
Bei den bekannten Plasmabrennerkonstruktionen ist allgemein festzustellen,
daß die Konstruktionen so ausgelegt sind, daß die Düsenaußenfläche möglichst klein
ist.
-
Weiterhin ist zu vermerken, daß einer wesentlichen Wärmeabfuhr über
den Düsenstock mittels des Kühlmittels keine Beachtung geschenkt wurde.
-
Es besteht daher die Aufgabe, die Kühleinrichtung so auszubilden,
daß die Wärmeabfuhr wesentlich erhöht wird, wodurch ein Versagen der Düse vermieden
wird. Hierdurch soll es möglich sein, bei gleichbleibender Leistung den Brenner
in seinen Abmessungen verkleinern bzw. bei unveränderter Brennergröße soll es möglich
sein, die Leistung zu erhöhen, ohne daß dabei ein Versagen der Düse auftritt.
-
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dem Wärmeübergang
von
der Düse und vom Düsenstock auf das Kühlmittel durch Vergrößern der dem Kühlmittelstrom
ausgesetzten Flächen zu verbessern. Insbesondere soll auch der Düsenstock intensiv
gekühlt werden, da durch die metallische Verbindung zwischen Düse und Düsenstock
auf diesem Düsenstock eine beträchtliche Wärmeleitung erfolgt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch Gehäuse, Düse und Düsenstock; Fig. 2 einen
Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 ein weiterer Schnitt entsprechend
Fig. 1; Fig. 4 Ausführungsbeispiele von Kühlmittelkanälen; Fig. 5 die in eine Ebene
abgewickelte Mantelfläche des Düsenstocks; Fig. 6 eine weitere Abwicklung gemäß
Fig. 5; Fig. 7 eine weitere Abwicklung entsprechend Fig. 5 mit einer alternativen
Strömungskanalanordnung und der schematischen Darstellung des Kühlmittelverlaufs
im Bereich der Düsenaußenseite
und Fig. 8 einen Schnitt durch
eine Düse.
-
In Fig. 1 umgibt das Gehäuse 1 den Düsenstock 2, an dessen Vorderseite
die Düse 3 angeordnet ist. Der Düsenstock 2 und die Düse 3 bestehen aus einem hochwärmeleitfähigen
Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Elektrode unedle
Zuführkanäle für das plasmabildende Gas sind der Übersichtlichkeithalber weggelassen.
-
Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Düsenstock 2 sind mehrere Kühlmittelkanäle
4,5 vorgesehen. Erfolgt beispielsweise die Kühlmittelzufuhr über den Kanal 4, dann
wird das Kühlmittel über eine Bohrung 6 der Außenseite der Düse zugeführt, welche
verrippt gestaltet ist. Von der Außenseite der Düse wird sodann das Kühlmittel über
einen Kanal 5 abgeführt. Zu diesem Zweck ist zwischen der Außenseite der Düse 3
und dem Kanal 5 eine Verbindungsbohrung 7 vorgesehen.
-
Gemäß Fig. 2 strömt das Kühlmittel über die Kanäle 4 zu.
-
Über die Verbindungsbohrungen 6 an der Vorderseite des Düsenstocks
2 gelangt das Kühlmittel jeweils in eine radiale bogenförmige Ausnehmung 8 an der
Außenseite der Düse 3. Nach Durchströmen dieser Ausnehmung tritt das Kühlmittel
jeweils über die Verbindungsbohrung 7 in den Abführkanal 5 ein, von wo es abgeführt
wird. Die Stege zwischen den bogenförmigen radialen Ausnehmungen 8 bilden
hierbei
Rippen.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 8 in einer
Ebene senkrecht zur Düsenachse angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diese Ausnehmungen
gestaffelt in zwei oder mehr Ebenen anzuordnen.
-
Die Kanäle 4,5 sind vorzugsweise am Außenmantel des Düsenstocks 2
angebracht. Es ist jedoch auch möglich, die Kanäle an der Innenseite des Gehäuses
1 vorzusehen.
-
Verschiedene Kanalformen zeigt die Fig. 4. Bei der Ausführungsform
nach Fig. 4a haben die Kanäle dreieckförmigen Querschnitt. Solche Kanäle sind vorzugsweise
an der Mantelfläche des Düsenstocks 2 angeformt. Gleiches gilt bezüglich der Kanäle
nach Fig. 4b, die einen halbkreisförmigen Querschnitt haben. Sind solche halbkreisförmigen
Kanäle am Gehäuse 1, dann ist vorzugsweise eine Ausbildung nach Fig. 4c zu wählen.
Gleiches gilt bezüglich der Ausführungsform nach Fig. 4d, wobei es sich um Kanäle
quadratischen Querschnitts handelt. Sind also die Kanäle an der Gehäuseinnenseite,
dann sollten wegen einer alten Wärmeleitung zwischen dem Düsenstock 2 und dem Gehäuse
1 Auflagestege zwischen den Kanälen vorhanden sein.
-
Die Führung des Kühlmittels durch die Kanäle ist schematisch in den
Fig. 3 und 5 dargestellt. Gemäß Fig. 3 fließt das Kühlmittel über den Kanal 4 zu
und über den Kanal 5 ab, der an seinem hinteren Ende eine querverlaufende Abflußbohrung
9 aufweist. Das über den Kanal 4 zufließende Kühlmittel gelangt über die Bohrung
6 zur
schematisch dargestellten Ausnehmung 8 und von dort über
die Bohrung 7 zum Abführkanal 5 Index 1. Das hintere Ende des Abführkanals 5 Index
1 ist über einen Querkanal 10 mit einem weiteren Zuführkanal 4 Index 1 verbunden.
Vom Kanal 4 Index 1 gelangt das Kühlmittel über die Bohrung 6 Index 1 in die Ausnehmung
8 Index 1 und von dort über die Bohrung 7 Index 1 in einen weiteren Abführkanal
5 Index 2.
-
Diese zick-zack-förmige Führung des Kühlmittels wiederholte sich so
lange, bis das Kühlmittel über die Abflußbohrung 9 abgeführt wird.
-
Eine weitere Kühlmittelführung ist in Fig. 6 gezeigt.
-
Von einem Ringkanal 11 gehen mehrere Zuflußkanäle 4 ab, von denen
dann jeweils über eine Bohrung 6 das Kühlmittel einerAusnehmung 8 zugeführt wird,
von wo sie über eine Bohrung 7 in einen Abführkanal 5 gelangt. Alle Abführkanäle
5 weisen an ihrem hinteren Ende eine Abflußbohrung 9 auf.
-
Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß z.B.
-
der Düsenstock 2 an seiner Mantelaußenseite zwei wendelfdrmige Kanäle
in Form einer Doppelwendel aufweist.
-
Über einen der-wendelförmigen Kanäle wird das Kühlmittel zu-und über
den anderen Kanal das Kühlmittel abgeführt. Die Düse weist in diesem Fall mindestens
einen Ringkanal gemäß Fig. 7 auf. Dieser Ringkanal 12 ist über eine Bohrung 6' mit
dem wendelförmigen Zuführkanal verbunden während der Ringkanal über eine
Bohrung
7' mit dem wendelförmigen Abführkanal verbunden ist. Der Kanal 12 weist eine Trennwand
13 auf.
-
Neben dieser Trennwand münden die Bohrungen 6' und 7' in den Kanal
12.
-
Das Kühlmittel kann auch so geführt sein, wie die obere Hälfte der
Fig. 7 zeigt. Bevorzugt an der Außenseite des Düsenstocks 2 sind mehrere ringförmige
Kanäle 14 angebracht. Diese Kanäle 14 weisen jeweils zwei rennwände 15 auf, wodurch
jeder Ringkanal 14 in zwei eilringkanäle 18,18' aufgeteilt wird. An jedem Ende eines
Teilringkanals ist eine Verbindungsbohrung vorgesehen, wobei die eine Verbindungsbohrung
zum einen axial benachbarten Teilringkanal führt, und die andere Verbindungsbohrung
zum anderen axial benachbarten Teilringkanal eine Verbindung herstellt. Hierbei
sind die Verbindungsbohrungen benachbarter Teilringkanäle versetzt zueinander angeordnet.
In Fig. 7 sind die Verbindungsbohrungen 17 den Teilringkanälen 18' und die Bohrungen
16 den Teilringkanälen 18 zugeordnet. Das bei 17 einströmende Kühlmittel durchströmt
den einen Teilringkanal 18', tritt über die Bohrung 17 in den nächsten axial benachbarten
Teilringkanal, der dann im Gegenstrom durchströmt wird. Am Ende tritt dann das Kühlmittel
über die Bohrung 6' in den Ringkanal 12 und strömt von dort über die Verbindungsbohrung
7' aus, wobei es dann über die Teilringkanäle 18 und die Verbindungsbohrungen 16
längs der Mantelfläche des Düsenstocks zurückströmt.
-
Die Düse kann an ihrer Außenseite mit entsprechenden Kanälen 14' versehen
sein, wie in Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben. Der vorderste Kanal jedoch ist
ein Ringkanal entsprechend dem Kanal 12 gemäß Fig. 7.
-
Alternativ hierzu können die Ringkanäle 14 jeweils mit zwei Trennwänden
versehen sein, die jeweils einen axial verlaufenden Kanal begrenzen, der die Rippen
zwischen den Ringkanälen 14 durchschneidet. Jeder Ringkanal hat an einem Ende eine
Verbindungsbohrung zum einen benachbarten und am anderen Ende eine Verbindungsbohrung
zum anderen benachbarten Ringkanal. Die Verbindungsbohrungen benachbarter Kanäle
sind versetzt zueinander angeordnet. Der axial verlaufende Kanal dient als Zuführkanal
des Kühlmittels zur Düse, während die Ringkanäle, die durch die Verbindungsbohrungen
miteinander verbunden sind, als Abführkanäle für das Kühlmittel dienen. In allen
Ausführungsbeispielen ist gewährleistet, daß die vom Kühlmittel umströmte Oberfläche
der Düse sehr groß ist. Weiterhin wird bewußt eine gute Wärmeleitung zwischen der
Düse und dem Düsenstock hergestellt, sowie die vom Kühlmittel umströmte Fläche sehr
groß gemacht, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Düsenstock und dem Kühlmittel
zu erreichen.
-
Als Kühlmittel findet in erster Linie Wasser Verwendung.
-
Die Kühlung kann jedoch auch von anderen Flüssigkeiten bewirkt werden,
wie beispielsweise Öl. Daneben ist die Verwendung von Gasen bzw. Gasgemischen, wie
beispielsweise Pressluft oder von verflüssigten Gasen möglich.
-
Eine turbulente Strömung des Kühlmittels wird weitgehend vermieden.
-
Die Fig. g zeigt ein Beispiel einer Kühlmittelführung, wie sie alternativ
im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben wurde. Der axial zur Düse verlaufende Zuführkanal
ist mit 4 bezeichnet. Die Rückführung erfolgt zickzackförmig über die Ringkanäle
14 und die Ringkanäle verbindenden Bohrungen 16. Bei der Düse ist jeweils die Verbindungsbohrung
7 einer bogenförmigen radialen Ausnehmung 8 verbunden über ein Kanalstück 19 mit
der Verbindungsbohrung 6 der benachbarten radialen Ausnehmung 8.
-
Auf diese Weise wird im Bereich der Düse das Kühlmittel von der einen
Ausnehmung 8 zur anderen Ausnehmung 8 geführt und tritt letztlich nach Durchströmen
aller Ausnehmungen 8 in die Ringkanäle 14 ein.
-
Bezüglich der Kühlmittelführung an der Düse zeigt Fig. 10 eine entsprechende
Ausbildung. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind jedoch axial verlaufende RückfUhrkanäle
20 vorgesehen.
-
Ansprüche