DE69013337T2

DE69013337T2 - Gas-Elektrobrenner mit Zufuhr elektrischer Energie und Zündhilfe.

Info

Publication number: DE69013337T2
Application number: DE69013337T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Aschard; Alain Bouvier; Serge Leleu
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: EP0457994B1; ATE112838T1; EP0457994A1; ES2063936T3; US5088917A; FR2647186A1; DE69013337D1; FR2647186B1; DK0457994T3

Description

Die Erfindung betrifft Gasbrenner mit Zufuhr von elektrischer Energie der Bauart mit einer Vorrichtung zum Einblasen von Brenngas auf der Achse einer ringförmigen Zufuhreinrichtung, die einen rotierenden Luftstrom liefert und eine stromauf gelegene Elektrode und eine Gegenelektrode aufweist, die über eine Hauptstromquelle miteinander verbunden und in einer Arbeitsöffnung für die Aufnahme von Verbrennungsgas angeordnet sind, wobei die stromauf gelegene Elektrode auf der Achse der ringförmigen Einrichtung angeordnet ist und zur Erzeugung eines Lichtbogens für die Zufuhr von Energie quer durch die Flamme des Brenners dient.
Ein derartiger Elektrobrenner ist in dem am 1. Dezember 1989 erteilten Patent Nr. 2 577 304 (Electricité de France und Stein Heurtey) beschrieben. Er kann dadurch hergestellt werden, daß lediglich Änderungen der Konstruktion vorgenommen werden, die auf den Aufbau eines herkömmlichen Gasbrenners beschränkt ist. Er enthält zusätzlich zum abgeänderten Brenner an der Gaseinspritzvorrichtung angeordnete Einrichtungen, einschließlich insbesondere einer eine Elektrode bildenden Einspritzdüse und eines Hochspannungsgenerators, der eine Entladung zwischen einer mit der stromauf gelegenen Elektrode verbundenen zentralen Elektrode und der Einspritzdüse ermöglicht, in der das Gas Überschallgeschwindigkeit erreicht.
Wenn auch dieser Aufbau zufriedenstellende Ergebnisse ergibt, so ist er doch kompliziert. Ziel der Erfindung ist insbesondere eine Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus des Brenners und auch des Aufbaus seiner elektrischen Versorgungskreise.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung insbesondere einen Gasbrenner der oben definierten Bauart vor, der gekennzeichnet ist durch einen Ablenker, der auf der Bahn des Luftstroms von der stromauf gelegenen Elektrode in einem Abstand angeordnet ist, der ausreichend klein ist, um das Zünden eines Lichtbogens zwischen der stromauf gelegenen Elektrode und dem Ablenker bei einer Spannung von einigen tausend Volt zu ermöglichen, und durch eine Einrichtung, die den Aufbau einer Lichtbogenzündspannung zwischen der stromauf gelegenen Elektrode und dem Ablenker ermöglicht.
Diese Anordnung ermöglicht das Weglassen der Einspritzdüse der Vorrichtung gemäß FR-A-2 577 304.
Zur Verringerung der Auslösespannung besteht der Ablenker vorteilhaft aus einer leitenden Scheibe, deren Oberfläche der stromauf gelegenen Elektrode in einem Abstand von 1 bis 3 mm hiervon zugewandt ist. Es genügt dann eine Spannung von einigen tausend Volt, um die Ionisation hervorzurufen und die Entladung auszulösen. Dieses System ermöglicht die Auslösung der Gasentzündung mit Verbrennungsluft.
Eine oder mehrere Relaiselektroden können zwischen dem die Auslöseelektrode bildenden Ablenker und der Gegenelektrode vorgesehen sein, an der im Dauerbetrieb die Entladung stattfinden muß, um das Übertreten des Lichtbogens von der einen zur anderen zu erleichtern. Die Relaiselektrode (oder jede Relaiselektrode) kann durch einen metallischen Vorsprung gebildet sein, der von der Wand der Öffnung getragen wird und sich auf dem gleichen Potential wie die Gegenelektrode befindet
Die Hauptstromquelle, die bei verhältnismäßig geringer Spannung eine hohe Stromstärke liefern kann, ist vorteilhaft eine Gleichstrom-Hauptquelle, die mit einer Hilfsspeisequelle in Reihe geschaltet ist, die im unbelasteten Zustand eine hohe Spannung liefert, jedoch eine nur sehr geringe Spannung liefert, wenn sie von einem starken Strom durchflossen wird. Die Hauptquelle und die Hilfsquelle sind in einem Kreis in Reihe geschaltet, der einerseits mit der stromauf gelegenen Elektrode und andererseits mit dem Ablenker (gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Widerstands für die Strombegrenzung) und mit der Gegenelektrode endet.
Diese Anordnung hat unter anderen Vorteilen denjenigen der Gewährleistung der Stabilität des Lichtbogens im Dauerbetrieb, wobei jede starke Verminderung des Stroms sich durch einen Anstieg der Spannung ausdrückt, die durch die Hilfsspeisequelle geliefert wird. Diese Hilfsquelle kann jedoch abgeschaltet werden, wenn die Stabilität des Lichtbogens ausreicht, was eine Verminderung der Blindleistung der Anordnung ermöglicht.
Bei einer Ausführungsvariante ist die stromab angeordnete Gegenelektrode beweglich. Man kann somit ausgehend von einem Kurzschluß zwischen den beiden Elektroden starten. Diese Anordnung ermöglicht es, bei der Vereinfachung des Systems noch weiter zu gehen durch Weglassen der Starthilfsspeisung und der Relaiselektroden.
Die beiden Elektroden (insbesondere die stromauf gelegene Elektrode) sind vorteilhaft mit Magneten und Rückflußjochen aus ferroelektrischem Material gemäß einer Anordnung versehen, die ein die Drehung des Lichtbogens hervorrufendes Magnetfeld erzeugt.
Die Erfindung ist aus der folgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels und von Varianten besser verständlich, die als nicht beschränkende Beispiele gegeben sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schema eines Brenners gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Schnitt längs einer durch dessen Achse verlaufenden Ebene;
Fig. 2 eine Schrägansicht, die die gegenseitige Anordnung der Bauteile des Brenners von Fig. 1 erscheinen läßt;
Fig. 3 ein Diagramm der Veränderung der Intensität des und der Lichtbogenstroms ILichtbogen und der Lichtbogenspannung VLichtbogen in Abhängigkeit von der Zeit bei spezifischen Funktionsbedingungen von Störungen;
Fig. 4 und 5 sind schematische Darstellungen der möglichen Anordnungen von Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfelds zum Halten des Lichtbogenfußes gegen Verschiebung in einer Elektrode des in Fig. 1 und 2 gezeigten Brenners;
Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht der Anordnung aus Ablenker und stromauf gelegener Elektrode des Brenners von Fig. 1 im Schnitt längs einer durch die Achse gehenden Ebene;
Fig. 7 eine auseinandergezogene Schrägansicht des isolierenden Rings von Fig. 6 und seiner Befestigungsmittel;
Fig. 8 ähnlich einem Teil von Fig. 1 eine Ausführungsvariante.
Der in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Brenner enthält eine Gaseinblasvorrichtung 4, die auf der Achse einer ringförmigen Einrichtung für die Zufuhr von Verbrennungsluft angeordnet und mit einer Zufuhrleitung 9 versehen ist. Die ringförmige Einrichtung enthält einen Körper 6 mit Düsen 10 für die tangentiale Zufuhr von Verbrennungsluft, die dieser Luft eine Drehbewegung um die Achse der Einblasvorrichtung 4 erteilt. Der Körper 6 schließt sich an eine Arbeitsöffnung 8 aus im allgemeinen hitzefestem Material an, die eine Verbrennungskammer begrenzt, in der sich die Flamme entwickelt. Diese Arbeitsöffnung ist innen beispielsweise kegelstumpfförmig erweitert, was die Gasströme kanalisiert und das Mischen begünstigt.
Die Gaseinblasvorrichtung 4 enthält an ihrem stromab gelegenen Ende einen scheibenförmigen Ablenker 14, dessen Durchmesser demjenigen des Umwälzkerns der durch die Düsen 10 eingeführten Luftwirbelströmung nahekommt. Die Funktion des Ablenkers 14 besteht im Aufhalten des Anstiegs von heißem Gas um die Einblasvorrichtung und im Stabilisieren der Gasströme am Ausritt der Einblasvorrichtung, folglich der Flamme. Die Bestandteile des bisher beschriebenen Brenners sind denjenigen ähnlich, die in der bereits erwähnten Druckschrift FR-A-2 577 304 beschrieben sind.
Die in Fig. 2 gezeigte Gaseinblasvorrichtung ist dagegen nicht mit Düsen versehen, die dem Gas im Düsenhals Überschallgeschwindigkeit verleihen sollen und für den Start des Brenners des Standes der Technik verwendet werden. Zur Begrenzung des Gasdurchsatzes ist jedoch im allgemeinen eine Blende 16 vorgesehen.
Der Brenner enthält eine stromauf gelegene Elektrode 18, die vor der Ablenkscheibe 14 angeordnet ist und von einem Rohr 20 für die Zufuhr von elektrischem Strom getragen wird, das den Boden der Einblasvorrichtung 4 durchquert.
Der Ablenker 14 ist gegenüber der Elektrode 18 durch einen isolierenden Ring 15 isoliert (Fig. 6). Der Ring ist gemäß Fig. 7 mit Löchern durchbohrt, um den Durchtritt von Gas zu ermöglichen. Die Anordnung 14, 15, 18 ist mittels Stehbolzen 13 mechanisch zusammengebaut, die von einem elektrisch isolierenden Rohr 17 umhüllt sind (Fig. 7).
Der Abstand a zwischen der Rückseite der stromauf gelegenen Elektrode 18 und der Ablenkscheibe 14 ist ausreichend klein, damit man bei einer Spannung von einigen tausend Volt zwischen ihnen einen Lichtbogen auslösen kann. In der Praxis gibt man a häufig einen Wert von 1 bis 1,5 mm, was eine Auslösung bei ungefähr 3000 V ermöglicht. Dieser verhältnismäßig kleine Abstand wird vorteilhaft durch das oben beschriebene Befestigungssystem eingehalten.
Die den Aufbau der Lichtbogenauslösespannung zwischen der stromauf gelegenen Elektrode 18 und der Ablenkscheibe 14 ermöglichende Einrichtung besteht bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungform aus einer Gleichstrom-Hauptquelle und einer Hilfsquelle, die in Reihe geschaltet sind. Die Hauptquelle besteht aus einem Leistungsgleichrichter 22, der bei einer Spannung von einigen hundert Volt eine einstellbare stromstärke liefern kann. In der Praxis kann man zum Beispiel einen Gleichrichter verwenden, dessen Nennstromstärke und - ausgangsspannung 700 A bzw. 500 V betragen. Die Hilfsquelle besteht aus einem mit einer sättigbaren Einrichtung verbundenen Gleichrichter 24 derart, daß er eine hohe Spannung (zum Beispiel 2500 V) liefert, wenn er unbelastet ist, d. h. keinen Strom abgibt, und daß seine Ausgangsspannung abfällt, sobald er Strom liefern muß. Man kann insbesondere eine Quelle verwenden, die im Kurzschluß, d. h. bei einer Spannung von praktisch gleich Null, 30 A und im unbelasteten Zustand von einigen tausend Volt liefern kann. Eine Diode 25 kann zum Kurzschließen des Gleichrichters 24 vorgesehen sein, wenn ein umgekehrter Strom ihn durchströmen will.
Der Kreis für den Aufbau eines Lichtbogens zwischen der Ablenkscheibe 14 und der Elektrode 18 enthält, ausgehend von der Gaseinblasvorrichtung 4 (elektrisch mit der Ablenkscheibe verbunden), einen Widerstand 26 für die Strombegrenzung, die Quellen 22 und 24 und eine Induktivität 28, die zur Verringerung der Instabilitäten dient, indem sie während der Übergangsperioden eine dem Auslöschen des Lichtbogens entgegenwirkende Energie liefert. Der Wert dieser Induktivität kann kleiner als derjenige sein, der bei einer Vorrichtung ohne Hilfsguelle zur Beseitigung der Auslöschgefahren notwendig wäre, da diese Hilfsquelle eingreift, um die zum Aufrechterhalten des Lichtbogens erforderliche Überspannung zu liefern, wenn die Stärke des Lichtbogenstroms zu gering wird. In der Praxis genügt im allgemeinen eine Induktivität von 5 bis 10 mH.
Die mit der Einblasvorrichtung 4 über den Widerstand 26 verbundene Anschlußklemme der Hauptquelle 22 ist an Masse gelegt und auch mit dem Gehäuse des Körpers 6 sowie mit der Gegenelektrode 30 verbunden, die mit der stromauf gelegenen Elektrode 18 ausgefluchtet ist. Es ist ersichtlich, daß die beiden Quellen im Kreis für den Aufbau und das Halten des Lichtbogens zwischen der stromauf gelegenen Elektrode 18 und der Gegenelektrode 30 in Reihe geschaltet sind.
Der Brenner enthält eine elektrisch mit dem Gehäuse des Körpers 16 und somit mit der Erdung verbundene Relaiselektrode 32, die durch einen einfachen metallischen Vorsprung 32 gebildet sein kann.

Der Brenner arbeitet in folgender Weise.

Zum Starten des Brenners speist man ihn mit Luft und Gas und schließt die Hauptquelle 22 und dann die Hilfsquelle 24 an das Stromnetz. Bei einer durch den Widerstand 26 begrenzten stromstärke entsteht zwischen der stromauf gelegenen Elektrode 18 und der Ablenkscheibe 14 ein Lichtbogen. Der durch die Leitung 9 in die Einblasvorrichtung geschickte Gasstrom (zum Beispiel Kohlenwasserstoffe) bläst auf den Lichtbogen und überträgt in einer ersten Zeit den Lichtbogenfuß von der Ablenkscheibe 14 zur Relaiselektrode 32 und dann in einer zweiten Zeit zur Gegenelektrode 30. Es sei angegeben, daß der uslöselichtbogen nicht innerhalb der häufig aus Graphit bestehenden Einblasvorrichtung 4 entsteht. Folglich gibt es kein Ausbrechen von Kohlenstoff und keinen Verschleiß des isolierenden Rings 15.
Ist der Lichtbogen auf die Gegenelektrode 30 übertragen, so entsteht ein Dauerbetrieb. Im stabilen Betrieb liefert die Hauptquelle 22 zum Beispiel einen Strom von 700 A bei 500 V.
Die elektrische Quelle 22 ist dann praktisch kurzgeschlossen und spielt keinerlei Rolle.
Wenn eine Instabilität des Lichtbogens auftritt, greift die Induktivität 28 ein, um zusätzliche Energie zu liefern. Falls diese unzureichend ist, liefert die Hilfsguelle 24 die nötige Überspannung. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall (entsprechend einer Schaltung mit einer Induktivität von 1,5 mH) ist zu sehen, daß die Lichtbogenspannung VLichtbogen schnell zunimmt, sobald die Stromschwingungen das Auslöschen des erscheinenden Lichtbogens hervorrufen können.
Die Hilfsquelle 24 hat somit eine doppelte Funktion: Einerseits erleichtert sie das Auslösen, andererseits stabilisiert sie den Lichtbogen und ermöglicht eine Verringerung der nötigen Induktivität, folglich der Kosten des entsprechenden Bauteils.
Bei einer in Fig. 8 gezeigten Ausführungsvariante der Anordnung aus Brenner und elektrischer Speisung ist die Gegenelektrode 30 beweglich. In Fig. 8 besteht die Einrichtung zum Verschieben der Elektrode aus einem Stellzylinder 21, dessen Stellung so geregelt wird, daß der Elektrobrenner im Kurz schluß gestartet werden kann. Diese Variante hat verschiedene Vorteile:
- Wegfall der Hochspannungshilfsspeisung 24 für den Start;
- Wegfall des Widerstands 26 und der Relaiselektrode 32;
- Entbehrlichkeit des Einhaltens eines genauen Abstands zwischen dem Ablenker 14 und der Elektrode 18 (da das Starten des Lichtbogens nicht mehr zwischen diesen beiden Teilen erfolgt);
- bei fester Stromstärke I die Möglichkeit der Einstellung der Betriebsnennspannung U (und folglich der Leistung P = UI) durch Variieren des Abstandss d zwischen den beiden Elektroden, da U eine zunehmende Funktion von d ist, wobei alles übrige sonst gleich ist.
Um eine Beschädigung der beiden Elektroden zu vermeiden, wenn sie im Kurzschluß geschaltet sind, kann man zum Beispiel auf die Stange 20 der stromauf gelegenen Elektrode 18 eine Dämpfungsfeder 40 (Fig. 8) setzen, die an einem Ring 42 zur Gleitführung der Stange 20 anliegt. Dieser Ring ist mit Hilfe des Ablenkers 14 fest mit dem Körper der Vorrichtung 4 verbunden. Er ist durchlocht, um den Durchtritt des Gases zu ermöglichen.
Um eine schnelle Zerstörung der Elektroden 18 und 30 zu vermeiden, ist eine Verschiebung des Lichtbogenfußes auf diesen Elektroden erwünscht. Die in Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtungen erzeugen mit Hilfe von Permanentmagneten elektromagnetische Kräfte, die den Lichtbogenfuß in Drehung versetzen.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform enthält die Elektrode 18 einen Elektrodenkörper in Form einer durch einen Boden 33 geschlossenen Schale. Der Körper und der Boden können aus einem gut leitenden Material, zum Beispiel Kupfer, bestehen, das durch einen Fluidumlauf gekühlt wird. In der durch den Körper und den Boden begrenzten Kammer sind Magnete 34 untergebracht, die von zwei, ein Joch bildenden Weicheisenkernen 36 und 38 gehalten werden. Dieser Aufbau erzeugt ein Magnetfeld, dessen Kraftlinien den durch die Linien f der Fig. 4 gezeigten Verlauf haben, der den Lichtbogenfuß um die Achse der Elektrode sich drehen läßt.
Der scheibenförmige Kern 38 dient nicht nur zum Drehen des Lichtbogentußes, sondern verhindert auch, daß dieser sich am hinteren Teil der Elektrode festlegt. Der Kern 36 drückt den Lichtbogenfuß zurück, wenn dieser sich zur Mitte der Elektrode bewegt.
Bei gewissen Brennern können Störungen, zum Beispiel durch Gasbewegungen bedingter Instabilitäten, dem Lichtbogenfuß gestatten, sich an der Mitte der Elektrode 18 zu plazieren: In diesem Fall bleibt er dort, da diese Position stabil ist.
Es findet dann ein vorzeitiger Verschleiß des zentralen Teils der Elektrode statt.
Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsvariante der Elektrode 18 (wo die der Fig. 4 entsprechenden Elemente mit demselben Bezugszeichen bezeichnet sind) beseitigt diese Gefahr. Bei der Elektrode von Fig. 5 hat der Körper einen zentralen hohlen Teil 38 und ist der rohrförmige Kern 36 folglich verkürzt. Eine Darstellung der Feldlinien zeigt, daß der Lichtbogenfuß beim Eindringen in den hohlen Teil 38 durch die Laplace- Kräfte automatisch nach außen zurückgedrückt wird.

Claims

1. Gasbrenner mit Zufuhr von elektrischer Energie mit einer Vorrichtung (4) zum Einblasen von Brenngas auf der Achse einer ringförmigen Zufuhreinrichtung, die einen rotierenden Luftstrom liefert und eine stromauf gelegene Elektrode (18) sowie eine Gegenelektrode (30) aufweist, die über eine Hauptstromquelle miteinander verbunden und in einer Arbeitsöffnung (8) für die Aufnahme von Verbrennungsgas angeordnet sind, wobei die stromauf gelegene Elektrode (18) auf der Achse der ringförmigen Einrichtung angeordnet ist, einen Gasdurchtritt frei läßt und zur Erzeugung eines Lichtbogens für die Zufuhr von Energie quer durch die Flamme des Brenners dient, gekennzeichnet durch einen Ablenker (14), der am stromab gelegenen Ende der Vorrichtung auf der Bahn des Luftstroms von der stromauf gelegenen Elektrode in einem Abstand angeordnet ist, der ausreichend klein ist, um das Auslösen eines Lichtbogens zwischen der stromauf gelegenen Elektrode und dem Ablenker bei einer Spannung von einigen tausend Volt zu ermöglichen, und durch eine Einrichung, die den Aufbau der Lichtbogenzündspannung zwischen der stromauf gelegenen Elektrode (18) und dem Ablenker (14) ermöglicht.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenker (14) eine leitende Scheibe ist, deren Oberfläche einer stromauf gelegenen Elektrode in einem Abstand von 1 bis 3 mm gegenüberliegt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ablenker (14) und der Gegenelektrode wenigstens eine Relaiselektrode (32) angeordnet ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaiselektrode durch einen metallischen Vorsprung gebildet ist, der von der Wand der Arbeitsöffnung getragen wird und auf das gleiche Potential wie die Gegenelektrode gebracht ist.

5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromquelle (22) eine Gleichstromquelle ist, die mit einer Hilfsspeisequelle in Reihe geschaltet ist, die im unbelasteten Zustand eine hohe Spannung liefert, jedoch eine nur sehr geringe Spannung liefert, wenn sie von einem starken Strom durchflossen wird.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptquelle (22) und die Hilfsguelle (24) in einem Kreis in Reihe geschaltet sind, der einerseits mit der stromauf gelegenen Elektrode (18) und andererseits mit dem Ablenker (14), gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Widerstands (26) für die Strombegrenzung, und mit der Gegenelektrode (30) endet.

7. Gasbrenner mit Zufuhr von elektrischer Energie mit einer Vorrichtung (4) zum Einblasen von Brenngas auf der Achse einer ringförmigen Zufuhreinrichtung, die einen rotierenden Luftstrom liefert und eine stromauf gelegene Elektrode (18) und eine Gegenelektrode (30) aufweist, die über eine Hauptstromquelle miteinander verbunden und in einer Arbeitsöffnung (8) für die Aufnahme von Verbrennungsgas angeordnet sind, wobei die stromauf gelegene Elektrode (18) auf der Achse der ringförmigen Einrichtung angeordnet ist und zur Erzeugung eines Lichtbogens für die Zufuhr von Energie quer durch die Flamme des Brenners dient, dadurch gekennzeichnet daß die Gegenelektrode (30) gegenüber der Elektrode (18) derart verschiebbar ist, daß ein Starten im Kurzschluß möglich ist.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (14, 30) mit Magneten und Rückflußjochen aus ferromagnetischem Material gemäß einer Anordnung versehen ist, die ein die Drehung des Lichtbogens hervorrufendes Magnetfeld erzeugt.

9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine zentrale Ausnehmung (38) aufweist, die den Lichtbogenfuß daran hindert, sich auf der Achse einzuhängen.