DE6605524U - Plasmabrenner - Google Patents

Description

FA557 957*29.9 67

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, *0.

Werner-von-Siemena-Straße 50

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■ Plasmabrenner

33ie Erfindung besieht si en auf eisen Plasmabrenner, insbesondere zum lufterhitzen, mit Rohrelektroden, zv/isehen denen bei Betrieb ein Lichtbogen brennt. Bei dem Brenner sind Mittel zum Erzeugen einer bezüglich der Elektroden tangential en Gaszufuhr (Vfirhelg^szuführunp) zwecks Gnsstabil aliening des Bozens sowie eines in wesentlichen axialen magnetischen Gleichfeldes zum Kotieren des Bebens auf einen Kreis um die Slektrodenaehse (azimutal) vorgesehen.

Plasmabrenner ait einer Lichtbogenkammer* in die eine Becherelektrode hineinreicht, sus der «3er Lichtbop-en bei Betrieb unter -tnngentiaier Gaszufuhr zur '. ich bo^enkamnor in eine r-.n i?? I ie^u.tbo.-?enkfumner anschließende Hchl^./Iinderelektroan (Π. .ir.doreiehtr^de'i hineinbrennt, sind an sic^v be^snnt (siehe Zeitsohrif* IEEE TRAHSACTIOHS 0Έ SUCLEAH SCIENCE vom Jrjiunr 1964, Seiten 41 bis 46).

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Es bildet sich in der Lichtbogenkammer ein StrÖmungszylinder und in der Becherelektrode eine Doppelatrömung mit Axialkoraponente aus, durch die die Becherwand nach außen und der Zentralbereich zur" Lichtbogenkammer hin durchströmt v/ird. Man nimmt an, daß iia Plasmabrenner eine durchgehende Strömungssäule ausgebildet wird, die sich bis in die Zylind-erelektrode erstreckt, und daß sich der äußere Strömungszylinder in der Lichtbogenkammer mehr wie eine freie Schraubenströmung verhält. Durch diese Strömungsverhältnisse wird der Lichtbogen gasstabilisiert bzw. eingeschnürt. Aus der äußeren Zylinderströmung mischt sich dabei,über die gesamte Lichtbogenlänge verteilt, fortlaufend Gas in den Lichtbogenkern ein.

Bei dem bekannten Plasmabrenner knnn man durch eine Magnetspule, die um den aus der Lichtbogenkammer herausragenden Teil der Becherelektrode angeordnet ist, den Lichtbogen rotieren lassen.

Durch das Rotieren der I ieiitbogenfuSpunkte ?i;f den Elektroden er-. zielt nan et^tt.einer im wecentliehen punktformigeη Belastung eine auf einen Kreis, r-lso im wesentlichen linef-.r,verteilte '.⁷ärmebep.nspr unhung der Elektroden. Dadurch wird die Lebensdauer der Elektroden mvnr erhöht; in vielen Fällen, jedonh, npeciell bei der Auf= heizung von luft, reicht die Lebensdauer noch nicht ."ua. Dur Srfindun~ liegt drv;er die Auf.^;b« zugrunde, einen Plasmabrenner zu ε chaff en, bei dem die V/ürme beanspruchung der Elektroden r«uf c'nc größere Fleche verteilt ist.

Dip erfindungsgcmMSe '.öcur.- besteht df.rir., ärQ ruif-r de" -xir.Ic·^ magnetischen Glri-hfeld ;v.?c^:ltziior T.Tittel zur. Srzourcn ?ir.:p be-KÜ3-lioh der Achse im ?cocr t^iohen r^di-.len mannet i nehe-n V/echre J f eZ des 7,VV) Hin- und RerCoTcrcn da-- Bo/rn:" in A^hrri e:' tixnr vorjssehen sind.

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Gemäß weiterer Erfindung sind zum Erzeugen des Magnetischen Weehselfeldes zwei untereinander und mit den Elektroden acheengleiche sowie derart momentan entgegengesetzt zueinander erregte Wechaelstromspulen vorgesehen, daß zwischen diesen Spulen eine spitzengeometrische Weehselinagnetfeldkonfigurätion nach Art einer bikoniachea Spitze (Wechsel-Cusp-Feld) gebildet iet. Dae magnetische Weehselfeld ist dabei also im Prinzip eine zwischen zwei untereinander und mit den Slektrudenachsen gleiches so^is iscsentsn entgegengesetzt zueinander erregten Wechselstromspulenanordnungen gebildete spitzengeometrische Wechselmagnetfeldkonfiguration nach Art einer 'bikonischen Spitze.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner kann aus zwei koaxialen Rohrelektroden, von denen die eine die andere im wesentlichen ganz umgibt, bestehen. Dieser enthält vorzugsweise zwei achsengleiche, entgegengesetzt zueinander ströffidurchflosiäene Wechselstromspulenanordnungen und eine achsengleich dazu um die äußere Rohrelektrode gewickelte Gleichstromapulenanordnung, die zwischen die beiden Wechsel3tPGsspuleiianOj^dÄtings" gesetzt ist.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner kann auch zwei achsengleiehe in einer Lichtbogenkv-nuner axial auf Abstand gesetzte Rohrelektroden enthalten. Dabei ist es besonders günstig, wenn den Elektroden je eine Weehselstromspule und mindestens einer der Elektroden eine Gleichstromspule zugeordnet ist. Die Spulen sollen koaxial zueinander und zu den Elektroden gewickelt sein. Die Wechselstromspulen sollen vorzugsweise so gewickelt bzw. gepolt sein, daß ihr magnetisches Wechselfeld zwischen den Spulen ia wesentlichen radial verlauft. Die beiden Elektroden können räumlich zwischen den Wechselstromspulen angeordnet sein.

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Ea hat sich als günstig erwiesen, wenigstens eine der Elektroden mit einem uls Hohlzylinderring ausgebildeten MantelkSrper zu versehen, dessen der anderen Elektrode zugewandte Stirnfläche im wesentlichen tomeförraig erscheint. Der Mantelkörper kann von einem Kühlmittel 2ur Kühlung der Elektrode durchströmt sein und/oder die der Elektrode zugehörige Gleichstromspule aufnehmen.

Bei eines Teil der erfindungsgemäßen Plasmabrenner ist die eine Elektrode als Becherelektrode ausgebildet, aus der der Lichtbogen unter tangentialer Gaszufuhr zur Lichtbogenkammer in die an die lichtbogenkammer anschließende andere Elektrode, die als Eohlzyiinderelektrode ausgebildet ist, hineinbreniit.

Es hat sieh ferner als günstig erwiesen, die beiden Wechselstromspulen so zu betreiben, daß die von ihnen erzeugten Magnetfelder möglichst exakt gegenphasig sind. Die Magnetfelder sollen alsO in jedem Moment innerhalb der Spulen antiparallel sein und gleichen Betrag haben. Bei einem Plasmabrenner, bei dem die Fußpu^Jcte des infolge des axialen magnetischen Gleichfeldes (oder der Gleichfelder) rotierenden, radial verlaufenden Lichtbogens sich nicht in Phase und/oder nicht in gleicher Richtung auf den Elektroden bewegen, ist es zweckmäßig, die Erregung der Wechselstromspule einer weiteren Bedingung zu unterwerfen. Gemäß weiterer Erfindung kann dann die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes ao groß gewählt, v/erden, daß die axiale Bogenbewegung um etwn eine Größenordnung serieller 1st als die Gasgeschwindigkeit bei der j'tufhej zung; vorausgesetzt i;;t dabei, daß die Bogenbewegunf der Frequenz des Wecfrnelfeldea noch folgen kann.

An Hand der schematischen Zeichnung von Ausfuhrungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen:

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Pig.1 «ad 2 einen Plasmabrenner mit koaxialen Rohrelektroden in Längs- und Querschnitt,

Fig. 3 und 4 einen Plasmabrenner mit axial verschoberen Rohrelektroden in Längs- und Querschnitt.

In ?ig.1 sind die Elektroden mit 1 und 2 bezeichnet. Die A.ußenelektroÄe 2 umgibt die Innenelektrode 1 praktisch vollständig. Dgr Brennraum kann auf der einen Seite durch die elektrisch isolierende ' Wand 3 abgeschlossen sein. Die Luftzuführung erfolgt tangential durch die öffnung 4. Die Luft wird so in den Raum 5 zwischen den Elektroden eingeblasen_s daß sie sich schraubenf8rinig(von rechts nach links in Pig.1)bewegt. Die beiden Wechselstromspulen 8 und 9 sowie die Gleichstromspule 6 können rotationssymmetrisch zur Achse 7 um die Außenelektrode 2 gelegt sein.

Es sei angenommen» zwischen den Elektroden 1 und 2 sei ein Lichtbogen 10 gezündet (vgl. Pig.1 und 2). Dieser Lichtbogen bildet also einen radialen Strom i im Raum 5 (Zylinderkoordinatensystem: r,<f ,z) Auf den Strom i„ wirkt das axiale Magnetfeld B„ (Gleichfeld der

Γ Z

Spu"! f» 6) und übt eine Lorentz-Kraft K^ auf die Ladungsträger des Stromes i aus. Dadurch wird der Bogen in Rotation um die Brennerai'hse 7 versetzt. ;.uf Grund unterschiedlicher Laufgeschwindigkeit ruf /node und Kathode wird der Bogen dabei etwa zu einer Spirale mit der azimutalen Stromkomponente ic.» geformt, deren Fußpunkte auf jeder der Elektroden etwa einen Kreis bestreichen. "Das allein kann jedoch allmählich zu einer Abnutzung der entsprechenden Metallstreifen der Elektroden führen.

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Wechselmagnetfeld B_r hinzugefügt (siehe Pig.2). Das Feld EU übt auf

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den Strom ito eine axial gerichtete Lorentz-Kraft K aus, die den ι .ζ

Lichtbogen als Ganzes axial bewegt. Da erfindungsgemäS ein Wechselfeid angewendet wird, ergibt sich also ein mit der Frequenz des

nt,ini tiixi

In Pig.3 ist ein Ausfuhrungsbeispiel eines Plasmabrenners mit einer Lichtbogenkammer 31 gezeichnet, in die eine Becherelektrode 32 hineinreicht, aus der der Lichtbogen 33 bei Betrieb unter tangentialer Gaszufuhr bei 34 zur Lichtbogenkammer in eine an diese anschJießende Hohlzylinderelektrode 35 hineinbrennt. Der Lichtbogen kann durch die magnetische Gleichfeldspule 36 und eine evtl. gleichseitig betriebene Gleichfeldspule 37 zur Rotation gebracht werden. Die Spulen 36 und 37 können in die Manteikörper der Elektroden 35 bzw. 32 eingebaut sein. Der Lichtbogen wird durch die Wirkung des axialen Gleichfeldes B_z der Spule 36 (und/oder 37) auf die Radialkomponente i in gleicher Weise zur Rotation gebracht wie

bei dem Beispiel gemäß Fig.1.

Die Stabilisierung und Einschnürung des Lichtbogens erfolgt gemäß Fig.3 durch die besondere Art der Gaszuführung, die weiter oben beschrieben wurde und Gegenstand der alteren Patentanmeldung S 106 867 VTIIc/:ig, PLA 66/1774 ist. Das rechte Ende 4C der Becherelektrode 32 braucht nicht geschlossen zu sein. An der Elektrode k«\nn ein Sohe.ft 41 nngebr^cht sein, der zur axialen Bewegung der Elektrode 32 vorgesehen ist. Der Schaft 41 ist dnbei in der -abgedichteten Filhrunr 42 beweglich.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Wech3elstromspulen 39 und 39 sind few'uB Fig. ^ axial außerhalb der Gleichstromspulenanordnunfen ani Gehäuse der Lichtbogenkammer 31 befestigt. Beispielsweise ist die Spule 38 innerhalb des Gehäuses und die Spule 39 außerhalb des Gehäuses 31 angeordnet. Die Spule 39 befindet sich häufig deshalb

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außerhalb des Gehäuses, «eil wegen der (tesSfifi&rasgsTorriehtiaag nur wenig Platz innerhalb des Gehäuses im Bereich d&r Spule 36 Die Spule 39 kann aber &aoh' innerhalb des Gehäuses 31 enge bracht sein.

Zur erfinöungsgemäöen axialen Bewegung des Plasmas bzw. Lichtfco^rt? 33 wird wiederum die Eadlalkomponente B des @echselmagnetfeidt>s der Spulen 38 und 39 ausgenutzt. In Pig.4 ist gezeigt, wie das Magnetfeld B₂, auf den Strom Ue , de." durch Rotation des Böge ns entsteht, wirkt. Durch dae Zusammenwirken des Gleichstromes ic, und des Wechselgeldes B„ entsteht also wiederum eine axiale Lorent*

kraft K_z, also eine axiale Hin- und Herbewegung der PlasaafuSpunkte auf den Elektroden und damit eine fläehenmäSige Tiärmebeanspruchuiig der Elektroden.

Seispiel Ii

Ein Plasmabrenner gemäß Pig.1 hatte Kupferrohre 1 und 2 von ca. 30 cm Länge und 5 cm bzw. 7 cm Durchmesser. Die Wechsel Stroms pulen 8 und 9 waren gleich. Sie enthielten ebenso wie die Gleiehetros-8puls 6 von innen her wassergekühlte Windungen aus Hohlprofilkupfer Dabei hatten die Wechselstromspulen je etwa 12 Windungen und die Gleichstromspule 40 Windungen inagesamt. Die Spulen wurden mit etwa 1000 Λ und etwa 10 V betrieben. Die Frequenz des tfechselstromes betrug etwa 1 kHz. Bei Lufterhitzung wurden ei. 100 NmVh iNnr=Normal-trr) zugeführt (bei 4 in Pig.1). Geschvnndigkei t und Temperatur (in ⁰K) waren am Ausgang etwa 10mal so grcö wie am Eingang des Brenners. Es wurden am Ausgang Gasgeachwindigkeiten von ca. . G m/sec und Temperaturen von etwa 3C0CK erreicht.

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Beispiel 2:

Die Lichtbogenkammer 31 eines Plasmabrenners gemäß Pig.3 war ca» 50 cm lang und hatte einen Durchmesser von etwa 25 cm. Die Kammerwand bestand aus aufeinanderfolgenden, von innen her wassergekühlten Kupfer"hohlringen und Isolierstoffringen. Die Wechselstrom-.spulen 38 und 39 waren etwa gleich, hatten 10 bis 15 Windungen insgesamt und wurden bei 1 kHz mit etwa 1000 A und 10 V betrieben. Sie bestanden aus dem gleichen Material wie beim Beispiel 1. Letzteres galt auch für die GHeichstromspulen 36 und 37. Die Spule 36 hatte jedoch etwa 40 Windungen und war 30 cm lang, die Spule 37 hatte nur 24 Windungen und war 10 cm lang. Beide Spulen wurden mit etwa 1000 A und 10 Y betrieben. In einem Versuchsbeispiel wurden dem Brenner gemäß Fig.3 (bei 34) etwa 50 g Luft/sec zugeführt. Ebenso wie beim Beispiel 1 wurden Luftgeschwindigkeit und Temperatur (⁰K) etwa verzehnfacht.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner ist in allen Fällen vorteilhaft anwendbar, wo - über mehr oder weniger lange Zeit - hohe Gastemperaturen und Geschwindigkeiten erforderlich sind. Als Beispiel seien Windkanäle und Chemiebrenner genannt. Letztere werden aur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen verwendet.

12 Patentansprüche
4 Figuren

Claims (1)

f η Sprüche

1. Plasmabrenner mit Rohrelektroden, zwischen denen bei Betrieb ein Lichtbogen brennt» und Mittel zum Erzeugen einer bezüglich der Elektroden tangentialen Gaszufuhr (Wirbelgaszuführung) zwecks öasstabilisierung des Bogens sowie eines im wesentlichen axialen magnetischer. Gleichfeldes zum Rotieren des Bogens auf einem Kreis um die Elektrodenachse, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel (8,9) zum Erzeugen eines bezüglich der Achse im wesentlichen radialen magnetischen Wechselfeldes zum Hin- und Herbewegen des Bogens (10) in Achsrichtung (7) vorgesehen sind.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen das magnetischen Wechselfeldes zwei untereinander und mit den Elektroden (1*2) achsengleiche sowie derart momentan entgegengesetzt zueinander erregte V/echseIstromspulen (8,9) vorgesehen sind, daS zwischen diesen Spulen eine spitzengeoraetrische V/echselmagnetfeldkonfigurat-ion nach Art einer bikonischen Spitze (Wechsel-Cusp-Feld) gebildet ist.

3. Plasmabrenner nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische WechseJiY.Ld eine zwischen zwei untereinander und nit den Elektroden (1,?) echsengleichen powie momentan entgegengesetzt zueinander erregten Wechsel Stromspulcnanordnungeη (^,9) gebildete spitzergeometrische Weehselinagnetfeldkonfiguri.tion nach Art einer bikonischen Spitze (Wechte.-Cufip-Peld} int.

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4« Plasmabrenner nach Anspruch 1 mit zwei koaxialen BohrelelEtrogen? von denen die eixie die andere im wesestlieliea ganz msgS^tt gekennzeichnet durch zwei eehsengleiche, entgegesgeaetzt zueinander s-t~o3Sdui^chi_Qsseiie Weciisels'trosB'»il@ii^iL»2^«ⁱ'ⁱⁿ^*»i {R₅9) us4 eine achsengleich dazu um die äußere Rohrelektrode (2) gewickelte Gleichstromspule'iiano-^dnung (6) zwischen den beiden Weens? letroaspulenanordnungen (?ig.1).

5. Plasmabrenner nach Anspruch 1 »nit zwei acheengleichen in einer Lichtbogenkammer axial auf Abstand gesetzten Rohrelektrc■*«n, dadurch gekennzeichnet, daß den Elektroden (32,55) je eine Wechsels"fcromspule (38,39) und mindestens einer der Elektroden eine Gleichstromspule (36f37) zugeordnet ist, wobei die Spulen koaxial zueinander und zu den Elektroden gerichtet und die Wechselstromspulen so gewickelt bzw. gepolt sind, daß ihr magnetisches Wechselfeld zwischen den Spulen im wesentlichen radial verläuft (Pig.3).

6. Plasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden räumlich zwischen den Wechselstromspulen angeordnet sind.

7. Plasmabrenner nach den Ansprüchen b und C, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden nil einen als Hohlzylinderring ausgebildeten Kantelkörper versehen ist, dessen der andere elektrode zugewandte Stirnfläche ia weeentlichen toru3-fortnig ist.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, inü der Hohlraum des Mantelkörpers zum Durchströmen nit. einer. Mittel zur Kühlung der Elektrode vorgesehen ist.

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9» Plasmabrenner nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet daß der Hohlraum des Mantelkörpers zur Aufnahme der der Elek- || trode zugehörigen Gleichstromspule vorgesehen ist. _:

TO. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 5 bis 9» d'adurch gekennzeich- ?

net* daß die eine Elektrode als Becherelektrode ausgebildet ist., ι

j aus der der .Lichtbogen unter tangentialer Gaszufuhr zur Licht- | bogenkammer in die an die Lichtbogenkammer anschließende andere : Elektrode, die als Hohlzylinderelektrode ausgebildet ist, hinein-; brennt.

11. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die der Becherelektrode (32) zugeordnete Wechselstromspule (38) innerhalb der Lichtbogenkammer an der Elektrode (32)
befestigt ist.

12. Terfahren zum Betrieb des Plasmabrenners nach den Ansprüchen

1 bis 11, bei dem die Fußpunkte des infolge des (oder der) axialen magnetischen Gleichfeldes (Gleichfelder) rotierenden, radial
verlaufenden Lichtbogens sich nicht in Phase und/oder nicht in
gleicher Richtung auf den Elektroden bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des magnetischen Y/echselfeldes so
groß gewählt wird, daß die axiale Bogenbewegung um etwa eine
Größenordnung schneller ist als Gasgeschwindigkeit bei der
Aufheizung.

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