-
Mehrstufen-Plasmastrahigenerator
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrstufen-Plasmastrahigenerator,
der eine erste gasstabilisierte Brennkammer und mindestens eine zweite, der ersten
Brennkammer nachgeschaltete, vorzugsweise flüssigkeitsstabilisierte Brennkammer
umfaßt.
-
Plasmastrahlen entstehen beim Erhitzen von Gasen oder verdampfbaren
Stoffen beispielsweise durch Hochfrequenz oder Lichtbogen auf eine mittlere Massentemperatur
von 3000-15 000 K im Verdichtungskern. Bei diesen Temperaturen disoziieren die Gas-
bzw. Dampfmoleküle und werden zum Teil oder ganz ionisiert, wobei die Elektronen
der äußeren
Schale abgetrennt werden.
-
Durch Lichtbogen erzeugte Plasmastrahlen können sowohl in gasstabilisierter
Form als auch in flüssigkeitsstabilisierter Form erzeugt werden.
-
In ersterem Fall wird in einem sogenannten Gas-Lichtbogen-Plasmatron
ein Gas durch einen stehenden Lichtbogen über seine Disoziationstemperatur hinaus
bis zur Ionisierung erhitzt, so daß die Moleküle des Gases in Atome gespalten und
dann ganz oder teilweise ihrer äußeren Elektronenhüllen beraubt werden. Gas-Li chtbogen-Pl
asmabrenner haben einen guten Wirkungsgrad, so daß auf diese Weise ein Plasma entsteht,
das in der Pyrometallurgie und in der Hochtemperaturtechnologie anorganischer Materialien
eine wichtige Rolle spielt.
-
Nachteilig bei Gas-Lichtbogen-Plasmatronen ist jedoch der Umstand,
daß der Plasmastrahl aufgrund des stehenden Lichtbogens keine über die kinetische
Energie des Gases hinausgehende zusätzliche kinetische Energie erhält.
-
Im zweiten Fall wird in einem sogenannten Flüssigkeits-Lichtbogen-Plasmatron
eine tangential um einen stehenden Lichtbogen geführte Flüssigkeit durch diesen
zunächst verdampft, disoziiert und anschließend ionisiert.
-
Bei einem auf diese Weise gewonnenen Plasmastrahl kann gegenüber dem
Gasplasma ein billigerer Grundwerkstoff, wie z.B. Wasser verwendet werden, wobei
aus einem Mol gramm
Wasser 22,4 Liter Gas erzeugt werden, das dann
dem Plasmastrahl eine erhebliche kinetische Energie gibt, während bei einem Gas-Lichtbogenplasmatron
die kinetische Energie ausschließlich durch den eingangsseitigen Gasströmungsdruck
erzeugt wird.
-
Bei Flüssigkeits-Lichtbogen-Plasmabrennern ist eine Stabilisierungsvorrichtung
erforderlich, die einen Kanal aufweist, in dem der Lichtbogen brennt und die zur
Bildung von stabilen hydrodynamischen Verhältnissen bei der Erreichung des nötigen
Verlaufs des Gradienten der elektrischen Spannung dient. Vom Gesichtspunkt der dynamischen
Verhältnisse muß der Kanal der Stabilisierunosvorrichtung einen Flüssigkeitswirbel
bilden, in dessen rotte ein Lichtbogen brennt, wobei die Dichte des Flüssigkeitsfilms
so sein muß, daß sie einerseits genügend das eigentliche Material des Kanals vor
der Wärmeeinwirkung des Lichtbogens und des entstandenen Plasmas schützt, und gleichzeitig
andererseits die Entstehung des Plasmas ermöglicht.
-
Die Stabilisierung hat einen entscheidenden Einfluß auf den Wirkungsgrad
des eigentlichen Fl üssigkeits-Li chtbogen-
Plasmabrenners als Plasmagenerator
und daher auf die Höhe der erzielten Temperatur, auf die Höhe der Ausströmgeschwindigkeit
und damit auf die Möglichkeit der Anwendung des Flüssiokeits-Lichtbogen-Plasnlatrons
auf den einzelnen technologischen Gebieten.
-
Die Stabilisierungsvorrichtungen, die gegenwärtig bei Flüssigkeits-Lichtbogen-Plasmabrennern
verwendet werden, zeigen jedoch eine niedrige Lebensdauer, verursachen bedeutende
Unregelmäßigkeiten des Betriebs dieser Brenner und haben einen niedrigen Wirkungsgrad
des eigentlichen Flüssigkeits-Lichtbogen-Plasmabrenners als Pl asmagenerator, so
daß eine wirtschaftliche Anwendung dieses Brenners praktisch nicht gegeben ist.
-
Demaegenüber ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, die Nachteile
sowohl des Gas-Lichtboaen-Plasmabrenners als auch des Flüssigkeits-Lichtbogen-Plasmabrenners
auszuschalten und gleichzeitig die beiden Brennern eigenen Vorteile miteinander
zu kombinieren.
-
Die Aufgabe wird durch einen Mehrstufen-Pl asmabrenner gelöst, bei
dem einer Gas-Lichtbocen-Plasmastufe mindestens eine
weitere, vorzugsweise
Flüssigkeits-Plasmastufe nachgeschaltet ist, in der die Flüssigkeit durch den in
der ersten Stufe erzeugten gasstabiliserten Plasmastrahl verdampft, disoziiert und
zu einem flüssigkeitsstabilisierten Plasnastrahl ionisiert wird.
-
Hohe Austrittsgeschwindigkeiten des erzeugten Plasmastrahls erfordern
hohe Temperaturen. Die Temperatur des aus der ersten Brennkammer austretenden gasstabilisierten
Plasmastrahls wird aber bei bekannten Generatoren durch ungl ei chmäl3i ges Aufheizen
des zugeführten Gases begrenzt. Dieser nachteil läßt sich nun durch die vorgeschlagene
Hintereinanderanordnung von mehreren, mindestens jedoch zwei Brennkammern aufheben,
indem der aus der ersten Brennkammer austretende Plasmastrahl in Abhängigkeit von
dem zum Einsatz kommenden Gas entweder mittels einer Düse oder mittels einer in
Form eines Solenoids ausgebildeten Magnetspule zu einem langgestreckten parallelen
Strahl ausgerichtet und durch eine oder mehrere nachgeschaltete Flüssigkeits-Plasmastufen
hindurchgeleitet wird, in denen ein Flüssigkeitswirbel aufgebaut ist, in dessen
Mitte der flüssigkeitsstabilisierte Plasmastrahl durch den gasstabilisierten Plasmastrahl
erzeugt wird, wobei die Dichte des Flüssigkeitsfilms so sein muß, daB sie einerseits
gengend das eigentliche Material der brennkammer vor der Wärmeeinwirkung des gasstabilisierten
Plasmastrahls und den entstehenden, wasserstabilisierten
Plasmastrahl
schützt und gleichzeitig aber die Entstehuna des Plasmas erröclicht, durch die Verdampfung,
Disoziierung und Ionisierung der in der nachgeschalteten Stufe eingebrachten Flüssigkeit
wird neben einer Temperaturerhöhung des Plasmastrahls eine Erhöhung der kinetischen
Energie desselben erreicht, was 7adurch zustandekomrt, da aus einem Molgramm Flüssigkeit,
beispielsweise Wasser, 22,4 Liter Gas erzeugt werden. Damit t erhält der Plasmastrahl
die für viele technische Anwenduncen erforderliche kinetische Energie. Damit verbunden
ist eine ganz erhebliche Erhöhung des lfirkungsgrades eines solchen Plasmabrenners,
so daß deren technischer Einsatz oftrals erst wirtschaftlich wird weben den Materialauftrag
sind als weitere Einsatzgebiete von Hebrstufen-Plasmabrennern Metallschmelzverfahren
sowie Impulsantriebe unter anderen zu nennen.
-
Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der zugehörioen Zeichnung, die einen Querschnitt eines Zweistufen-Plasmabrenners
zeigt, beschrieben.
-
In der Zeichnung ist rlit 1 allgemein ein Zweistufen-Plasrabrenner
gezeigt, der eine erste Brennstufe 2 in Form eines Gas-Lichtbogen-Plasmabrenners
aufweist, sowie eine dieser nachgeschaltete zweite Stufe 3 in Form eines Flüssiakeits-Plasmabrenners,
aus den der Plasmastrahl über eine Lavaldüse 4 austritt.
-
Die erste Stufe umfaßt eine Lichtbogenkammer 5 mit kreisrundem Querschnitt,
die nach au,Ren durch die innere Brennkammerwandung 6 und die äußere brennkammerwandung
7, zwischen denen sich ein Kühlwassermantel 8 befindet, abgeschlossen ist.
-
Nach innen wird die Lichtbogen-Brennkammer durch eine ebenfalls wassergekühlte,
konzentrisch angeordnete Elektrode 9 von ebenfalls im wesentlichen kreisrundem Querschnitt
begrenzt.
-
Die innere Brennkammerwandung 6 verjüngt sich an ihrer der zweiten
Stufe 3 zugewandten Seite trichterförmig zu einer Ausströmdüse 10, an deren Stelle
bedarfsweise auch eine tiagnetspule in Gestalt eines Solenoids vorgesehen werden
kann.
-
Das in die ringförmige Lichtbogenkammer 5 einströmende Gas wird durch
den zwischen der Elektrode 9 und der inneren Brennkammerwandung 6 im trichterförmigen
Teil derselben schirmförmig
brennenden Lichtbogen thermisch disoziiert
und ionisiert. Der dabei entstehende, auf ungefähr 5000°C aufgeheizte gasstabilisierte
Plasmastrahl tritt über die Düse 10 oder über einen nicht dargestellten Solenoid
als langGestreckter, paralleler Strahl in die zweite Brennerstufe 3 ein.
-
Die zweite Stufe 3 besitzt ebenfalls einen inneren Brennerraum, der
in drei Kammern 11 durch Blenden 12 unterteilt ist.
-
Die innere Wandung. 13 dieses Brennraumes ist von einem Flüssigkeitsmantel
14 umgeben, der durch die äußere Wandung 7 des Plasmabrenners eingeschlossen wird
und zur Kühlung des Brennraums dient. über einen Zulauf 15 und tangentiale Bohrungen
16 tritt die Kühlflüssigkeit außerdem aus dem Kühlmantel in die Brennkammer ein,
WO Sie einen F1iissiakeitswirbel bildet, der sich über die innere @andung der Brennkaillmer
1 legt und der durch den aus der ersten Stufe austretenden, gasstabilisierten Plasmastrahl
teilweise verdampft, disoziiert und ionisiert wird. Die überschüssige Flüssigkeit
wird über einen Auslad 17 wieder abgeführt.
-
Der auf diese Weise erzeugte fliissigkeitsstabil iserte Plasmastrahl,
der nunmehr eine erhebliche kinetische Energie besitzt, tritt über eine von einen:
Kühlflüssigkeitsmantel 1 umgebene Lavaldüse 4 aus dem trenner aus.
-
Der Vorgang der Plasmastrahlerzeugung läuft nach folgender @leichung
ab: Beispiel: H2 + 5000°C = H+ + +H (H2) (27 000°C) + H2O H+ + +H + 1/2 O2 (H2)
(47 000°C) (H2)-Gasplasma + (H2)-Wasserplasma + 1/2 O2 (Knallgas) H2O (Gas) (+ 10
000°C).
-
Lurch Steuerung des Cas-Flüssigkeits-Verhdltnisses sind Red-Ox-Reaktionen
einstellbar. So ist beispielsweise durch einen Überschuß an Wasserstoff im Statu
nascendi die Erzeugung eines nichtoxidierenden Plasmastrahls durch Bindung von Sauerstoff
moalich.
-
Anstelle der der letzten Stufe folcenden Lavaldüse kann auch ein Solenoid
vorgesehen werden, der den aus der letzten Stufe austretenden Plasmastrahl magnetisch
einschließt und führt
L e e r s e i t e