DE381504C - Vorrichtung zur Verbrennung von Luft im elektrischen Flammenbogen - Google Patents

Description

Die bekannten Verfahren Birkenland-Eyde, Pauling, Moscicki, Heßberger, Schönherr, Andrießen zur Verbrennung von Luft im elektrischen Lichtbogen sind schon seit längerer Zeit im Gebrauch. Die Ausbeute dieser Verfahren ist indessen gering, da nur geringe Prozente der Luft in Stickoxyd verwandelt werden und dieser kleine Prozentsatz durch den viel zu langsamen Vorgang des Prozesses noch größtenteils zerfällt, bevor das Stickoxyd weiter verarbeitet wird. Es rührt dies davon her, daß das gewonnene Produkt, das' Stickoxyd, in der gewonnenen Form sehr unbeständig ist und die bis jetzt erzielte Reaktionszeit viel zu groß ist gegenüber der theoretisch richtigen, und zwar im Verhältnis von etwa 20000 :i. Alle bisherigen Verbesserungen haben dieses sehr ungünstige Verhältnis nur in ganz geringem Maße verbessert.

Eine praktisch zu lange Reaktionszeit wird einen guten Teil des gebildeten Stickstoffoxydes ao wieder' zerfallen lassen. Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die praktische Reaktionszeit bedeutend zu kürzen und sie infolgedessen besser in Einklang mit der theoretisch notwendigen zu bringen. Dadurch, daß die zu verarbeitende Luft den Flammenbogen beispielsweise etwa 100 mal rascher durchfließt, als in den bis jetzt gebräuchlichen Vorrichtungen, dürfte das Verhältnis der praktischen zu der theoretischen Reaktionszeit sich bloß noch im Verhältnis von 200 : ι halten. Dieses Resultat soll mit der Vorrichtung gemäß Erfindung dadurch erreicht werden, daß die zu verarbeitende Luft durch wenigstens eine Düse mit Druckabfall von mehreren Atmosphären und somit sehr großer Geschwindigkeit den Flammenbogen in seiner

kleinsten Dimension, d. h. in seiner Dicke durchströmt. Das Vorhandensein eines gewissen Vakuums im Verbrennungsraum erhöht die Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus der Düse noch.

Bei verschiedenen bisher bekannten Vorrichtungen durchströmt die Luft die Flammenscheibe in der Ebene der Scheibe selbst und kommen somit diese Flammenscheiben in ihrer ίο größten Dimension für den Durchtritt der Luft in Frage. Um aber das Durchströmen der Luft durch die Flammenscheibe praktisch möglich zu machen, läßt man zweckmäßig ein durch den Arbeitsstrom des Flammenbogens erzeugtes Magnetfeld derart auf den Flammenbogen selbst einwirken, daß in jedem Moment eine der Wirkung der ausströmenden Luft auf den Flammenbogen entgegengesetzte gleiche Kraft auf denselben einwirkt, so daß in jedem Augenblick Kraftausgleich besteht und mithin der Flammenbogen stabil bleibt.

Da nun die auf den Flammenbogen wirkende Kraft eine sinusförmige sein wird, entsprechend dem Stromverlauf während der Zeit, so wird vorteilhafterweise auch die Geschwindigkeit der ausströmenden Luft dieser Sinusförmigkeit angepaßt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Ausströmung der Luft auf den Flammenbogen durch die besagte Düse vermittels eines Drosselorganes in dem Sinne gesteuert wird, daß bei jedem Richtungswechsel des Stromes keine Luft durchfließt und bei maximaler Amplituds des Stromes, wo die größte Intensität des Flammenbogens einerseits und des Feldes anderseits entsteht, auch der maximale Luftaustritt stattfindet. Durch diese Anordnung kann es ferner ermöglicht werden, den Verbrennungsraum auf das kleinstmögliche Maß zu reduzieren, wodurch hinwieder der Prozentsatz der verbrannten Luft gegenüber der unverbrannt durchfließenden bedeutend vergrößert wird. Das Resultat dieser Kombination ergibt eine gegenüber den jetzt bekannten Vorrichtungen bedeutend verbesserte Ausbeute. Zweckmäßigerweise wird die Steuerung der durchfließenden Luft um den Luftstrom ganz genau mit der Sinusform des Wechselstromes, also der Veränderlichkeit des Flammenbogens und Magnetfeldes in Einklang zu bringen, derart bewerkstelligt, daß die Drosselvorrichtung für den Durchfluß der Luft durch einen Synchronmotor betätigt wird, dessen Geschwindigkeit in ganz starrem und unverrückbarem Verhältnis zur Flammenbogenstärke und zum Felde steht. Steht Drehstrom zur Verfügung, so verwendet man vorteilhaft drei Einphasenwechselstromöfen, die im Stern" oder im Dreieck geschaltet werden können und die am besten durch einen Transformator an die Hauptstromzuführung angeschlossen sind. Dieser Transformator ergibt den Vorteil, einerseits Flammenbogen und Feld ι zu stabilisieren und anderseits die für den Flammenbogen günstige Spannung wählen zu können, ohne Rücksicht auf die Spannung des Speisedrehstromes. Es ist bekannt, daß für einen möglichst stabilen Flammanbogen eine kleinere Spannung notwendig und günstig ist als wie diejenige, in der z. B. Abfallenergie aus größeren Werken oder allgemein gesprochen, ein größeres Energiequantum zur Verfügung stehen wird. Die verkettete Spannung des zur Verfügung stehenden Drehstromes dürfte also einige Tausend Volt betragen, wogegen die Arbeitsspannung für den Flammenbogen nur einige Hundert Volt betragen wird.

Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.

Abb. ι stellt teilweise schematisch und teilweise in vertikalem Längsschnitt die ganze Vorrichtung dar. Abb. 2 zeigt einen Grundriß hierzu, und Abb. 3 einen Horizontalschnitt in der Höhe der Elektroden, d. h. durch die Düsenmitte. Abb. 4 stellt eine Einzelheit, und zwar eine Ansicht der Scheibe der Drosselvorrichtung für die Luftzuführung dar.

Abb. 5 gibt schematisch das Schema des Transformators für den Betrieb von drei Einphasenwechselstromöfen.

Abb, 6 zeigt ein Arbeitsdiagramm.

Ein Schamottekörper α umgibt eine Verbrennungskammer, der die Luft durch ein Rohr b und eine Düse c zugeführt wird, vollkommen. Durch den Schamottekörper a sind zwei Elektroden t aus Kohle bis an die Verbrennungskammer geführt und sind durch die beiden Zahnstangen V₁, v₂ verstellbar. Die zu verbrennende Luft tritt in das Rohr b unter mehreren Atm. Druck ein, expandiert durch die Düse c, durchströmt die Flammenscheibe d in ihrer kleinsten Dimension, d. h. in ihrer Dicke; die \^rerbrennungsgase, d. h. das Stickoxydluftgemisch tritt bei e aus der Verbrennungskammer aus und strömt nicht dargestellten Absorptionstürmen zu. Die Schenkel h des Wechselstrommagneten werden durch die Wicklungen fi, die vom Einphasenarbeitsstrom der Elektroden durchströmt werden, erregt. Die beiden Schenkel i bilden zwischen ihren Enden das Wechselstrommagnetfeld, das sich in der Ebene des Flammenbogens d selbst befindet. Die beiden Schenkel i werden durch einen starken Luftstrom gekühlt und ist bei k oben und unten ein Ein- und Austritt der Kühlluft angedeutet. Die Drosselvorrichtung für die Zuströmung der Druckluft zur Düse c besteht in einer Scheibe f (Abb. 4), die durch den auf der Niederspannungsseite an den Leitungen 0 liegenden Asynchron-Synchronmotor g angetrieben wird. Die Scheibe f ist derart gestaltet, daß sich bei einer Umdrehung der Scheibe vier geschlossene und vier offene Stel-

lungen mit den entsprechenden Übergängen ergeben. Die gegenseitige Stellung der in Isolierröhren μ angeordneten Elektroden wird durch einen Seriemotor q mit HiKe des Getriebes r und den Zahnstangen V₁ und V₂ nach bekanntem System konstant gehalten.

Abb. 5 gibt das Schema des ganzen Drehstromtransformators. Durch die Zuleitung I wird der hochgespannte Drehstrom zu der in ίο Dreieck geschalteten Primärwicklung m geführt. Die Einzelsekundärwicklungen %, n₂, n_s liegen ebenfalls in einem Dreieck. Der Stromverlauf für die ganze Phase % ist in den Abb. 2 und 3 dargestellt. Der Strom durchfließt direkt die beiden Wicklungen fi des Einphasenmagneten und hernach die beiden Elektroden t, die zwischen ihren Enden bei d den Flammenbogen erzeugen. Der Seriemotor q liegt mit einem einstellbaren Widerstand s auf der Niederspannungsseite parallel zu den beiden Elektroden t. Durch Regelung des Seriemotors q ergibt sich der feste Abstand der Elektroden. Der Asynchron-Synchronmotor g, der zweckmäßig bei 50 Perioden mit 1500 Touren arbeitet, trägt auf seinem Wellenende die eigene Erregermaschine, welche ihren Strom an zwei Gleitringe für den Rotor abgibt. Für den Anlauf des ganzen Apparates arbeitet der besagte Motor direkt als Asynchronmotor, und sobald die volle Geschwindigkeit erreicht ist, kann er auf Synchronbetrieb umgeschaltet werden und behält infolgedessen ganz streng die Umdrehungszahl entsprechend der Periodenzahl bei, so daß eine lückenlose Übereinstimmung zwischen der Drosselung der Luft einerseits und der Intensität des Magnetfeldes und des Flammenbogens anderseits gewährleistet ist. Beim Anlassen der Vorrichtung werden je nach Bedarf einige Wicklungen der Spulen^ zugeschaltet, um bis zur Erreichung des Beharrungszustandes die Wirkung des Magnetfeldes entsprechend der kleineren Wirkung des Luftstromes zunächst zu vermindern. Zur vollständigen Ausnützung des hochgespannten Drehstromes sind im Ganzen drei Einzelöfen mit Einphasenstrom vorgesehen und sind die andern genau gleich dem dargestellten auf den Phasen n₂ und n₃ angeordnet. Abb. 6 stellt das Zeitdiagramm und die Einwirkung auf den Flammenbogen durch die ausströmende Luft einerseits und das Magnetfeld des Einphasenmagneten anderseits dar. Die oberste Kurve gibt die Sinusform des Wechselstromes von 50 Perioden und zeigt, daß der Strom in V₁₀₀ Sekunde den Stromverlauf in einer Richtung aufweist und in der nächsten Y₁₀₀ Sekunde in der andern Richtung fließt.

Die zweite Kurve zeigt den Verlauf der Kraftwirkung des austretenden Luftstromes aus der Düse in der Richtung nach auswärts entsprechend der gegebenen Formgebung der Drosselscheibe am engsten Querschnitt der fraglichen Austrittsdüse. Die dritte Kurve gibt den zeitlichen Verlauf der einwärts wirkenden Kraft des Feldes auf den Flammenbogen entsprechend der schematischen Erläuterung der zwei Fak_storen Strom- und Feldrichtung, die hart unterhalb dargestellt sind. Die Pfeile quer zu der Düse stellen den Stromverlauf im Flammenbogen dar und in schematischer Weise die Kreise mit_Punkt und Kreuz die Richtung des Kraftlinienflusses im Magnetfeld. Während beider halben Perioden findet eine Kraftwirkung zwischen Feld und Flammenbogen in dem Sinne statt, daß auf den Flammenbogen eine nach dem Düseninnern wirkende Kraft ausgelöst wird, und es ist nun ein Leichtes, diese beiden Kraftwirkungen des Magnetfeldes einerseits und der ausströmenden Luft anderseits derart zu wählen, daß sie in jedem Augenblick genau gleich sind und sich mithin aufheben. Dieses Schema zeigt deutlich, daß auf diese Art und Weise ein absolut stabiler Flammenbogen gewährleistet ist.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Vorrichtung zur Verbrennung von Luft im elektrischen Flammenbogen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der Luft zum Flammenbogen wenigstens eine einen Druckabfall von mehreren Atmosphären bewirkende Düse (c) vorgesehen ist, die in bezug auf die Flammenscheibe (d) derart angeordnet ist, daß die zu verarbeitende Luft letztere in ihrer kleinsten Dimension, das heißt in ihrer Dicke, und zwar infolge des Druckabfalls in der Düse, mit sehr großer Geschwindigkeit durchströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Elektromagneten (A, p) der durch den Arbeitsstrom des Flammenbogens durchflossen wird und ein Magnetfeld erzeugt, das auf den Flammenbogen eine Wirkung ausübt, die derjenigen des Luftstromes entgegengesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Steuer einrieb,-tung(/"), die den Durchgangsquerschnitt der Düse (c) in Übereinstimmung mit den Wechseln des das Magnetfeld erzeugenden Stromes so verändert, daß die Kraftwirkung der ausströmenden Luft den gleichen Verlauf ein- no nimmt wie die entsprechend dem Wechselstrom sich ändernde Feldstärke.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.