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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System zum Erzeugen
eines Stroms von Hochtemperaturgas, das einen Plasmaerzeuger umfasst,
und im Besonderen einen Dreiphasen-Wechselstrom-Plasmaerzeuger umfasst,
und ein Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Hochtemperaturgas.
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STAND DER
TECHNIK
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Ein
Plasma wird im Allgemeinen als ein Aggregatzustand definiert, der
die Eigenschaften eines Gases aufweist, im Wesentlichen gleiche
Anzahlen positiver und negativer Ladungen enthält und ein guter Elektrizitätsleiter
ist, so dass Fluss durch ein Magnetfeld bewirkt werden kann. Plasmaerzeuger
sind theoretisch ideal für
eine Reihe von Spezialanwendungen, wie die Glaskapselung radioaktiver
Stoffe, die Dekontaminierung pathogener Stoffe und Substanzen (z.
B. Klinikabfälle)
und die Reduzierung und/oder sichere Zersetzung von Sondermüll oder schwer
abbaubaren Stoffen. Ein Vorteil der Verwendung eines Plasmaerzeugers
als eine Form der Reduzierung oder Zersetzung von Abfallstoffen
besteht darin, dass, wenn der Prozess korrekt gesteuert werden kann,
das resultierende Endprodukt ein Brennstoff sein kann, der verbrannt
werden kann, um Nutzenergie zu erzeugen.
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Das
Erzeugen einer elektrischen Entladung in einem Arbeitsgas zum Erzeugen
eines Plasmas ist eine grundlegende Technik, die über viele
Jahre erforscht wurde. Mehrere Plasmaerzeugungssysteme wurden entwickelt
und befinden sich derzeit weiterhin bei bestimmten Anwendungen in
Gebrauch, wie bei dem Plasma-Metallschneidbrenner. Der größte Teil der
bisherigen Arbeit bezog sich auf Gleichstrom-Plasmaerzeuger. Gleichstrom-Plasmaerzeugung
nach dem Stand der Technik konzentrierte sich auf zwei grundlegende
Typen: übertragener
Lichtbogen und nichtübertragener
Lichtbogen. Bei allen Lichtbogenerzeugungssystemen wird der Lichtbogen zwischen
einer Kathode und einer Anode ausgelöst. Bei einem System mit übertragenem
Lichtbogen wird eine Substanz, die behandelt wird, wie zum Beispiel ein
geschmolzenes Metall, als eine der Elektroden verwendet. Bei einem
System mit nichtübertragenem Lichtbogen
sind die Elektroden von der behandelten Substanz unabhängig.
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Ein
Gleichstrom-Plasmaerzeugungssystem zur Verwendung beim Materialschneiden
wird in US-Patent Nr. 4.034.250 beschrieben. Bei diesem System nach
dem Stand der Technik brennt der Lichtbogen zwischen dem Plasmaerzeuger
und dem zu schneidenden Artikel (übertragener Lichtbogen).
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Die
meisten Gleichstrom-Plasmaerzeuger oder -Plasmabrenner besitzen
andere Nachteile, zu denen ein enger Leistungsbetriebsbereich und
eine Unfähigkeit
zum Arbeiten in einem Gas, das Kohlenwasserstoffe oder organische
Stoffe enthält,
gehören.
Außerdem
müssen
Gleichstrom-Plasmaerzeuger Gleichrichter und Filter in ihren Stromzuführungen
verwenden, was den Aufwand erhöht
und gleichzeitig die Wirksamkeit und Langlebigkeit verringert.
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Auch
wenn von Wechselstrom-Plasmaerzeugern angenommen wurde, dass sie
effizienter und weniger kostspielig seien, wurde bei Wechselstromsystemen
nach dem Stand der Technik festgestellt, dass sie inhärent instabil
sind. Eine Quelle dieser Instabilität ist die Tatsache, dass, wenn
der Lichtbogen in einem Einphasensystem gepulst wird, der Lichtbogen
bei jeder Halbperiode erlischt. Daher muss der Lichtbogen 120 Mal
pro Sekunde ausgelöst werden.
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Was
dann benötigt
wird, ist ein Plasmaerzeugersystem, das praktisch mit jedem reinen
Gas, jedem Gasgemisch oder jeder gasförmigen Komplexverbindung arbeitet
und bei sehr hohen Gehalten an Kohlenwasserstoffdampf oder anderen
Verunreinigungen in dem Arbeitsgas funktioniert, einen stabilen Lichtbogen
erzeugt und über
einen breiten Betriebsbereich leicht eingestellt werden kann.
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GB-A-1
380 719 offenbart ein System zum Erzeugen eines Stroms von Hochtemperaturgas,
das einen Plasmaerzeuger, eine Lichtbogenkammer mit drei Primärelektroden,
die in Umfangsrichtung um das Innere des Gehäuses des Plasmaerzeugers herum
beab standet sind, und eine Öffnung
an einem Ende des Gehäuses
zum Ausleiten des Gasstroms, eine Wechselstrom-Zuführeinrichtung,
eine Schwingungserzeugereinrichtung zum Zuführen von ionisiertem Gas, eine
Zuführeinrichtung
für Arbeitsgas und
eine Kühleinrichtung
für den
Plasmaerzeuger umfasst.
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DE 19 01 349 A offenbart
ein System zum Erzeugen von Plasmagas und eine Plasmabrennervorrichtung
in einem Einzelgehäuse
mit einer Sternkonfiguration von Primärelektroden und einer Kühleinrichtung
für die
Düsen zum
Einleiten des Arbeitsgases.
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OFFENLEGUNG
DER ERFINDUNG
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Das
System und das Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Hochtemperaturgas
der vorliegenden Erfindung werden in den vorliegenden Ansprüchen 1 und
7 definiert.
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Die
Vorteile des neuartigen Systems sind die Fähigkeit zum Steuern des Plasmas
und Fernhalten des Plasmas von den Wänden durch die Anwendung von
Railgun-Technologie, um eine viel kühlere und praktischere Betriebsart
zu ermöglichen
und gleichzeitig extrem hohe Plasmatemperaturen zu ermöglichen
und die erhöhte
Effizienz, die mit einem Wechselstromsystem erzielt wird, bereitzustellen.
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Die
Plasmaerzeugereinheit wird mit Wechselstrom direkt von einem herkömmlichen
Stromversorgungsnetz oder von einem Generatorsystem angetrieben.
Eine signifikante Verbesserung der Effizienz wird erzielt, indem
Wechselstrom auf Grund der verringerten Verluste, die ansonsten
in der Stromzuführung
auftreten würden,
verwendet wird. Zusätzlich findet
der Prozess konvektiven Wärmeaustausches auf
Grund der schnellen Bewegung der Lichtbögen in der Kammer, des hochturbulenten
Gasstroms und der Diffusion des Lichtbogens in der Kammer statt. Die
Verwendung von Wechselstrom relativ niedriger Spannung beseitigt
die Notwendigkeit für
eine zusätzliche
Hochspannungs-Gleichstrom-Stromzuführung, wodurch
die Kosten für
Herstellung und Wartung verringert werden.
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Die
Anwendung des Railgun-Effekts (die Bewegung des Lichtbogens unter
dem Einfluss seines eigenen Magnetfelds) ermöglicht die Verwendung der wassergekühlten Elektroden
mit dem Betriebsvorteil mehrerer hundert Stunden ohne Wartung.
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Die
Elektroden sind dazu konstruiert, das Plasma unter Verwendung seines
eigenen Magnetfelds zu kanalisieren und strömen zu lassen. Dies basiert
auf bewährter
Railgun-Technologie.
Zwei Elektrodentypen können
verwendet werden: wassergekühlte
Röhrenelektroden
aus Kupfer und gasgekühlte
Stabelektroden aus Wolframlegierung.
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Das
innovative Wechselstromsystem ist ein System mit nichtübertragenem
Lichtbogen, das hochstabil ist und die Flexibilität bietet,
in starkem Maße
wie ein Gasbrenner, jedoch bei viel höheren Temperaturen zu arbeiten.
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Dieses
System übertrifft
auf Grund des hochstabilen Lichtbogens die Betriebseigenschaften
anderer Plasmaansätze.
Dieser stabile Lichtbogen wird durch das Feld erzeugt, das sich
auf dieselbe Weise wie das Drehfeld bei einem Elektromotor um die
Dreiphasenelektrode herumdreht. Die Elektroden sind so angeordnet,
dass das eigenmagnetische Feld auf dieselbe Weise, wie eine Railgun
(Elektrokanone) eine Masse antreibt, das Plasma von den Elektroden weg
antreibt. Das ausgestoßene
Plasma ist pseudokontinuierlich und erscheint als ein kontinuierlicher Lichtbogen.
Die Wechselwirkung des Arbeitsgasstroms in dem Plasmaerzeuger mit
einem konstant brennenden elektrischen Lichtbogen (auf Grund von Zeitteilung)
ist das grundlegende Phänomen,
das den Hochtemperaturplasmastrom erzeugt.
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1 ist
eine Seitenansicht der Plasmaerzeugerkomponente des Systems, wobei
das Gehäuse
teilweise aufgeschnitten dargestellt wird, um die inneren Primärelektroden
zu zeigen.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das allgemein die Strom-, Wasser-
und Gaszwischenverbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten
des Systems zeigt.
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3 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
der Hochspannungs-Plasma-Schwingungserzeugereinrichtung, die bei
dem Plasmaerzeuger von 1 verwendet wird, wobei die
inneren Schwingungserzeugerelektroden als Phantomdarstellung gezeigt
werden.
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4 ist
eine Explosionsdarstellung der Schwingungserzeugereinrichtung von 3.
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5 ist
eine Schrägansicht
einer bevorzugten Ausführung
des Systems, die die separaten Steuer-, Reaktor- und Plasmaerzeugerkomponenten
des Systems zeigt.
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6 ist
eine als aufgeschnittene Darstellung ausgeführte Seitenansicht einer bevorzugten mechanischen
Ausführung
der Hochspannungs-Plasma-Schwingungserzeugereinrichtung von 3.
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7 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführung der
Steuerkreise des Systems.
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BESTE ART
DER AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Die
allgemeine Anordnung der Primärkomponenten
des Plasmaerzeugersystems (10) und deren Verbindung untereinander
wird in den 2 und 5 gezeigt.
Das Plasmaerzeugersystem umfasst drei Hauptkomponenten: eine Steuereinheit
(11), eine Reaktoreinheit (12) und einen Plasmaerzeuger (30)
(5).
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Die
Steuereinheit (11) enthält
die Steuerkreise (15) (2), die
Hauptschalttafel (nicht gezeigt), die Leistungsanzeigetafel (nicht
gezeigt) und den Schwingungserzeuger-Leistungstransformator (16) (2).
Diese Komponenten befinden sich in einem Stahlsteuerschrank (13)
(5), der vorn und hinten Türen für den Zugang zu inneren Komponenten
aufweist.
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Die
Reaktoreinheit (12) (5) enthält die Reaktoren
(17a, b, c) (2), die Arbeitsgassammelleitung
(18) (2), Schwingungserzeugergassammelleitung
(19) (2), Kühlwassersammelleitungen (20)
(2) und zugehörige
Steuerungen im Inneren eines Stahlschranks (14) (5)
mit vorderen und hinteren Zugangstüren.
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Der
Steuer- und der Reaktorschrank (13 und 14) (5)
sind vorzugsweise zusammen auf einem gemeinsamen Rahmen (nicht gezeigt)
montiert, um Stabilität
und einfache Kabelführung
bereitzustellen.
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Wie
in den 1 und 6 zu sehen ist, und mit besonderer
Bezugnahme auf 6, umfasst der Plasmaerzeuger
(30) ein Gehäuse
(31), an dem oder in dem die Betriebskomponenten montiert
sind. Hochspannungs-Betriebsleistung für eine Plasma-Schwingungserzeugereinrichtung
(34) wird von dem Sekundärkreis des Schwingungserzeugerleistungstransformators
(16) (2) zu dem ersten und dem zweiten
Schwingungserzeugerelektrodenanschluss (38 und 39)
an der Schwingungserzeugereinrichtung (34) zugeführt, die
durch eine Kopfwand des Gehäuses
(31) hindurchläuft.
Die Primärseite des
Schwingungserzeugerleistungstransformators (16) ist durch
einen automatischen Leistungsschalter (48) (2) über eine
Phase eines Dreiphasen-480V-Wechselstrom-Versorgungsnetzes verbunden.
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Das
Plasmaerzeugergehäuse
(31) ist eigentlich eine Kapsel mit einem inneren Wassermantel zum
Bereitstellen von Wasserkühlung.
Daher ist eine Stirnplatte (32) durch einen Abstandsring
(37) an dem Gehäuse
(31) angebracht, um eine innere Lichtbogenkammer (40)
zu bilden, die die Primärlichtbögen enthält. In der
Mitte der Stirnplatte (32) ist eine kreisförmige Öffnung (42)
ausgebildet, aus der die Plasmagase aus dem Inneren der Kammer (40)
ausgeleitet werden. Die Stirnplatte (32) und der Abstandsring
(37) besitzen außerdem
in ihren jeweiligen Außenwänden Wassermäntel für Kühlzwecke. Entsprechend
sind Messingrohre (43) mit einer axialen Ausrichtung peripher
um die Passflächen
der Stirnplatte (32) und des Abstandsrings (37)
herum angeordnet, um Wasserdurchgänge zwischen den Wassermänteln des
Gehäuses
(31), der Stirnplatte (32) und des Abstandsrings
(37) bereitzustellen. Kühlwasser
tritt über
den Gehäusekühlwasserschlauch
(44) in das Wassermantelsystem ein.
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Drei
Primärelektroden
(33a, 33b und 33c) (nicht gezeigt) sind
in einer Sternkonfiguration, d. h. in 120-Grad-Intervallen, in Umfangsrichtung
um die Kammer (40) herum beabstandet. Die Elektroden (33a–c) werden
direkt über
die Reaktoren (17a, 17b, 17c) (2)
mit Leistung versorgt, die wiederum durch ein Schaltschütz (22)
(2) mit separaten Phasen der 480V-Wechselstrom-Dreiphasen-Versorgung
verbunden sind. Vorzugsweise sind die Elektroden (33a,
b und c) hohle Kupferrohre, so dass sie innen mit Wasser gekühlt werden
können,
das durch Kühlwasserschläuche (41)
(6) von der Kühlwassersammelleitung
(20) (2) in dem Reaktorschrank (12)
(5) geleitet wird. Isolatoren (36) (6)
bringen die Elektroden (33a–c) an dem Gehäuse (31)
(6) an.
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Schaut
man sich erneut 6 an, ist ein pneumatischer
Ring (35) im Inneren des Gehäuses (31) angeschweißt. Das
Arbeitsgas tritt durch konzentrische Öffnungen in dem Ring (35)
in die Kammer (40) ein. Vorzugsweise sind die Öffnungen
(nicht gezeigt) tangential gebohrt, so dass das Arbeitsgas so geleitet
wird, dass es in einem Uhrzeigersinn strömt, um einen hochturbulenten
Gasstrom zu erzeugen, wobei sich das relativ kühlere Gas näher an den Wänden der
Kammer (40) befindet. Bei einer bevorzugten Ausführung weist
der Ring (35) einen Durchmesser von ungefähr 24,7
cm (9,75 Zoll) und zwölf Öffnungen
mit einem Durchmesser von 0,254 cm (0,1 Zoll) auf. Die Öffnungen
sind so gerichtet, dass sie die tangentiale Lufteinleitung so nahe
wie möglich
an der Rückwand
der Kammer (40) erzeugen, so dass das Gas die Elektroden
(33a–c)
vor dem Punkt an den Elektroden, an dem der Lichtbogen ausgelöst wird,
erreicht. Diese Anordnung ermöglicht außerdem,
dass das Gas von allen Seiten gleichmäßig um die Elektroden (33a–c) herumblasen
kann.
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Um
einen Lichtbogen von den Primärelektroden
(33a–c)
im Inneren der Kammer (40) bei relativ niedrigen Spannungen
(220–480
V Wechselstrom) auszulösen,
wird hoch ionisiertes Gas, das von der Hochspannungs-Plasma-Schwingungserzeugereinrichtung
(34) erzeugt wird, in den Zwischenraum zwischen den Elektroden
(33a, b und c) eingeleitet. Um das hoch ionisierte Gas
zu erzielen, wird Schwingungserzeugergas durch den Gaseinlass (45)
in die Schwingungserzeugereinrichtung (34) eingeleitet, das
an die Schwingungserzeugerelektroden (46a und 46b)
(3) angrenzend vorbeiströmt. Das Schwingungserzeugergas
wird durch die Schwingungserzeugergassammelleitung (19)
(2) zugeführt.
Der Hochspannungslichtbogen im Inneren der Schwingungserzeugereinrichtung
(34) veranlasst das ionisierte Schwingungserzeugergas,
aus der Schwingungserzeugerdüse
(47) heraus und in Richtung der Primärelektroden (33a,
b und c) ausgestoßen
zu werden. Die Anwesenheit des ionisierten Gases verursacht einen
Durchschlag in dem Zwischenraum zwischen den Primärelektroden
(33a–c).
Der resultierende Primärlichtbogen
beginnt sofort, sich auf Grund von elektrodynamischer Bewegung des Lichtbogens
in dem Magnetfeld, das durch seinen eigenen Strom erzeugt wird (Railgun-Effekt),
an den Elektroden (33a–c)
entlang zu bewegen.
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Das
Arbeitsgas, das durch den pneumatischen Ring (35) von der
Arbeitsgassammelleitung (18) (2) eingeleitet
wird, wird dann durch den Lichtbogen überhitzt. Der Rail gun-Effekt
veranlasst den Lichtbogen, sich schnell an den Elektroden (33a–c) entlang
zu bewegen, wobei die Wärmebelastung
verteilt wird. Diese Wärmeverteilung
ermöglicht zusammen
mit innerer Wasserkühlung,
ein Material mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, aber hoher Wärmeleitfähigkeit,
wie Kupfer, für
die Elektroden (33a–c)
zu verwenden.
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Auf
Grund der Verbindung jeder Primärelektrode
(33a, b und c) mit einer separaten Phase der Speisespannung
besteht ein Lichtbogen kontinuierlich im Inneren der Kammer (40),
wobei jeder Lichtbogen im Vergleich zu seinem vorhergehenden oder nachfolgenden
Lichtbogen 60 Grad phasenverschoben ist. Während sich
jeder Lichtbogen an seiner entsprechenden Elektrode (33a,
b oder c) entlang bewegt, nimmt seine Länge zu, wodurch die Lichtbogenspannung
zum Steigen veranlasst wird. Sobald die Spannung das Ausmaß der Durchschlagsspannung
des Zwischenraums zwischen Elektroden an seiner engsten Stelle erreicht,
erfolgt ein zweiter Durchschlag und der Lichtbogen wird selbstständig. Das
heißt,
er setzt sich in der Kammer (40) über den Bereich der Schwingungserzeugergasionisierung
hinaus fort. Dieser Bereich ist mit dem Arbeitsgas gefüllt. Das
Arbeitsgas wird durch den Lichtbogen erwärmt und ionisiert selbst, was
zu Konduktanz in dem Lichtbogen führt und ihm gestattet, sich
weiter an den Elektroden (33a–c) entlang fortzusetzen. Letztlich werden
die Zwischenraumabmessungen zu groß, um den Lichtbogen weiter
zu unterhalten und der Lichtbogen wird ausgelöscht.
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Dieser
Prozess wird mit jedem Takt von Eingangsspannung (60 Hz) wiederholt.
Die Geschwindigkeit des Lichtbogens hängt von dem Streuwinkel zwischen
den Elektroden (33a–c)
und dem Ausmaß des
Lichtbogenstroms ab. Auf Basis tatsächlicher Messungen der Lichtbogengeschwindigkeit
an den Elektroden (33a–c)
entlang ändert
sich, wenn der Strom von 150 auf 850 Amp steigt, die Gesamtgeschwindigkeit
von 10 m/sek auf 25 m/sek.
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Die
tatsächliche
Geschwindigkeit für
einen vorgegebenen Arbeitsstrom sinkt merklich, während sich
der Lichtbogen an den Elektroden (33a–c) entlang bewegt. Dies ist
auf den Winkel A (1) zwischen den Elektroden (33a–c) zurückzuführen und kann
durch die quadratische Abnahme des Magnetfelds in Verbindung mit
dem Lichtbogenstrom und mit dem Anstieg der Distanz zwischen den
Elektroden (33a, b oder c) an dem Punkt des Lichtbogens
erklärt werden.
Daher wird bevorzugt, dass die Schwingungserzeuger einrichtung (34)
scharf divergierende Elektrodenwinkel (A) aufweist. Der optimale
Elektrodenwinkel ist zum Teil eine Funktion des Betriebsleistungsausgangs
des Systems (10) sowie des Typs und der Strömungsgeschwindigkeit
des Arbeitsgases. Bei einer bevorzugten Ausführung des Systems (10)
beträgt
bei Betrieb bei einem maximalen Leistungsausgang von einem Megawatt
der Elektrodenwinkel (A) im Wesentlichen 170 Grad. Die
Lichtbogenarbeitszone der Elektroden (33a–c) ist
bei einem Arbeitsstrom von 850 A ungefähr 6 bis 7 cm lang.
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Der
pneumatische Ring (35), durch den hindurch das Arbeitsgas
eingeleitet wird, bildet einen wirbelnden Strom von Gas, der den
Lichtbogen weiter belüftet
und ihn verlängert,
um die Lichtbogenspannungszunahme zu steigern. Gleichzeitig bildet das
einströmende
Gas eine kalte Schicht in der Nähe der
Innenwände
der Kammer (40), die diese schützt. Somit werden Leistung,
Gasstromtemperatur und Plasmaerzeugereffizienz durch Ändern des
Durchmessers des Rings (35) und durch Variieren der Anzahl,
der Ausrichtung und des Durchmessers der Öffnungen in dem pneumatischen
Ring (35) geregelt.
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Die
tangentiale Einleitung von Gas in die Plasmaerzeugerkammer (40)
an einer optimalen Position, wie zuvor mit Bezugnahme auf die Elektroden (33a–c) beschrieben
wurde, ermöglicht
die Verwendung einer Kammer (40) mit einer Form, die fast
kugelförmig
ist.
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Diese
Konstruktion einer kugelförmigen Kammer
ermöglicht
mehr Effizienz mit einem Umlaufkühlsystem.
Das Arbeitsgas wird so eingeleitet, dass es dazu neigt, das Plasma
von den Wänden
der Kammer wegzudrücken.
Die optimale Arbeitsgasströmungsgeschwindigkeit
liegt zwischen 1,6 m3 und 3 m3 pro
Minute (60 bis 100 Kubikfuß/Minute).
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Das
System (10) arbeitet praktisch mit jedem reinen Gas, jedem
Gasgemisch oder jeder gasförmigen
Komplexverbindung. Zu diesen gehören
oxidierende (Luft/Sauerstoff) und reduzierende (Wasserstoff) Medien
und die neutralen Medien, wie Stickstoff, Helium und Argon. Das
System arbeitet außerdem
mit sehr hohen Gehalten an Kohlenwasserstoffdampf in dem Arbeitsgas.
Darüber
hinaus können
die Hauptplasmagaszufuhr und das zu reinigende Gas dasselbe sein.
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Die
Konstruktion der Plasmaerzeuger-Stromzuführung ermöglicht ihr den Betrieb unter Verwendung
einer üblichen
industriellen Leistungsquelle (380 bis 480V Wechselstrom, dreiphasig).
Die strombegrenzenden Reaktoren (17a–c) (2) sollten
mit Abgriffen ausgestattet sein, die geregelte Stromwahl ermöglichen,
was zur Regelung der Plasmaerzeuger-Betriebsleistung führt. Bei
einer Ausführung
des Systems (10) ermöglichen
die Abgriffe an den Reaktoren (17a–c) Elektrodenstromwahl von 100
A bis 1500 A.
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Je
nach den Erfordernissen für
den Hochtemperaturgasstrom kann ein größeres System konstruiert werden
oder es können
mehrere Schwingungserzeugereinrichtungen und Plasmaerzeuger konfiguriert
werden, in ein Einzelvolumen hineinzuarbeiten.
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Das
Steuersystem (15) (2) stellt
Leistungs-, Temperatur- und Gasströmungsgeschwindigkeitsregelung
bereit, stellt die Steuerparameter für den Plasmaerzeugerbetrieb
ein und stellt automatisches Abschalten bereit, wenn die Parameter überschritten
werden. Eine Ausführung
eines solchen Steuersystems (15) wird in 7 gezeigt.
Die Betriebsleistung (480 V Wechselstrom, 60 Hz, dreiphasig) ist
mit den Punkten A, B und C verbunden.
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Der
Schalter (SF4) legt Leistung von zwei Phasen an den primären Trenn-/Heruntertransformator
(T3) an, von dem 36 V Wechselstrom von einer Sekundärwicklung
verwendet wird, um Systemanzeigen an der Steuereinheit (11)
(5) mit Leistung zu versorgen. Die andere Sekundärwicklung
an dem Transformator (T3) stellt 220 V Wechselstrom für die Steuerkreise
bereit.
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Die
Anzeigelampen (H2, 4, 6, 8 und 10) werden durch die Ruhekontakte
(NC-Kontakte) der Steuerrelais (K1 bis K5) beleuchtet. Das Trennrelais
(K6) wird durch die NC-Kontakte der Temperaturüberwachungsrelais (K9 und K10)
mit Energie gespeist. Die Thermostate (K17 und K18) überwachen
die Temperatur des Rücklaufkühlwassers
von dem Plasmaerzeuger (30) und den Reaktoren (17a–c) (2). Sollte
eine der beiden Temperaturen einen voreingestellten Wert überschreiten,
schließen
die Kontakte und ihr zugehöriges
Relais (K9 bzw. K10) wird mit Energie gespeist, wobei das gesamte
System (10) abgeschaltet wird. Das Relais (K7) arbeitet über die mit
Energie gespeisten Kontakte des Relais (K6). Gemeinsam stellen die
Relais (K6 und K7) eine Rückleitung
für die
Steuerschalterkreise bereit.
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Die
Drucktastenschalter (SB1 bis SB10) arbeiten in Paaren mit dem Arbeitsschalter
(NO-Schalter), der die „EIN"-Funktion steuert,
und dem NC-Schalter, der die „AUS"-Funktion steuert. Das System (10)
wird in Betrieb gesetzt, wobei die 5 Paare der Schalter (SB1 bis
SB10) in der Reihenfolge von oben nach unten verwendet werden. Vor
der Verwendung der Drucktasten (SB1 bis SB10) sollte das System
(10) für
den Betrieb vorbereitet werden, indem die Unterbrecher (SF1 bis
SF4) in der EIN-Position platziert werden.
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Der
Schalter (SB1) speist das Relais (K1) mit Energie, wobei Betriebsspannung
zu der elektrischen Wasserpumpe (M) gesendet wird, die grüne Anzeige
(H1) beleuchtet und die Anzeige (H2) gelöscht wird.
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Durch
Schließen
des Schalters (SB2) wird das Relais (K2) mit Energie gespeist, wobei
die grüne Anzeige
(H3) beleuchtet und die Anzeige (H4) gelöscht wird. Das Relais (K2)
speist das Ventil 3M1 (19 in 2)
mit Energie, wobei Schwingungserzeugergas zu der Schwingungserzeugereinrichtung
(34) (6) gesendet wird.
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Durch
Schließen
des Schalters (SB3) wird das Relais (K3) mit Energie gespeist, wobei
die grüne Anzeige
(H5) beleuchtet und die Anzeige (H6) gelöscht wird. Das Relais (K3)
speist das Ventil 3M2 (18 in 2) mit Energie,
wobei Arbeitsgas zu der Plasmaerzeugerkammer (40) (6)
gesendet wird.
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Durch
Drücken
des Schalters (SB4) wird das Relais (K4) mit Energie gespeist, vorausgesetzt, dass:
das Relais (K11) Fluss in dem Plasmaerzeugerkühlsystem erfasst; das Relais
(K20) abgeschaltet ist, wodurch angezeigt wird, dass sowohl in der Schwingungserzeugereinrichtung
als auch in den Arbeitsgasleitungen ausreichend Druck vorhanden
ist; und dass die Türverriegelungen
(SA1 bis SA4) geschlossen sind. Das Relais (K4) sendet Leistung
zu dem Hochspannungstransformator (T1) (16 in 2),
wodurch ein Lichtbogen zwischen den Schwingungserzeugerelektroden
(46a und 46b) (3) verursacht
wird. Dieser Lichtbogen ionisiert das Schwingungserzeugergas, das
von der Pumpe (3M1) kommt. Plasma in der Form von hoch
ionisiertem Gas strömt
nun zu dem Zwischenraum zwischen den Hauptelektroden (33a–c). Wenn
das Relais (K4) mit Energie gespeist wird, speist es das Relais
(K19) mit Energie, wobei eine der Verbindungen in der Rückleitung
für das
Hauptschaltschütz
(K5) (22 in 2) bereitgestellt wird und die
Leuchten (H7 und H8) von Rot auf Grün umgeschaltet werden.
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Durch
Schließen
des Schalters (SB5) wird das Hauptschaltschütz (K5) (22 in 2)
mit Energie gespeist, vorausgesetzt, dass alle Bedingungen korrekt
sind: Wasser strömt
an allen kritischen Punkten in dem Kühlsystem; Gas strömt zu der
Schwingungserzeugereinrichtung (34) (6)
und der Plasmakammer (40) (6) mit ausreichendem
Druck; und die Schwingungserzeugereinrichtung (34) wird
mit Energie gespeist. Das Schaltschütz (K5) sendet Leistung, die
von den Reaktoren (LL1 bis LL3) (17a–c in 2) stromgeregelt
wird, zu den Elektroden (33a–c) in dem Plasmaerzeuger (30)
(2). Das Plasma oder ionisierte Hochtemperaturgas
von der Schwingungserzeugereinrichtung (34) ermöglicht den
Durchschlag des Zwischenraums zwischen den Elektroden und die Hauptplasmaerzeugung
beginnt.
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Die
Messinstrumente (PV1 bis PV3) zeigen Spannung an und die Messinstrumente
(PA1 bis PA3) zeigen Strom in jeder Hauptelektrode (33a,
b und c) an. Das Messinstrument (PW) zeigt die gesamte Durchschnittsleistung
an, die in dem Plasma verbraucht wird. Das Messinstrument (PA4)
zeigt Strom zu der Schwingungserzeugereinrichtung (34) an.
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Das
Drücken
des Schalters (SB11) öffnet das
Relais (K6), das die Rückleitung
von K4, K5 und K7 entfernt. Wenn sich K7 abschaltet, entfernt es
die Rückleitung
von den Relais K1, K2 und K3. Das System (10) ist nun abgeschaltet.
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Auf
Grund der neuartigen Konstruktion des Plasmaerzeugersystems (10)
kann das beschriebene System bei dem Plasmaerzeugungsprozess fast jedes
Gas als das Arbeitsgas verwenden. Wechselstrom-Plasmaerzeugungssysteme
nach dem Stand der Technik können,
auf Grund ihrer inhärenten
Instabilität
und weil sie ein sauberes oder sogar reines Arbeitsgas oder Edelgas
als Arbeitsgas erfordern, bestimmte Aufgaben nicht erfüllen. Zum
Beispiel kann dieses System Freongas, Nervengas und andere militärische und
toxische Gase und Schadstoffgase vernichten, die bei Freisetzung
für die
Umwelt schädlich wären. Da
das zu behandelnde Gas außerdem
das Arbeitsgas für
das Plasmasystem ist, besteht kein Bedarf für eine Behandlungskammer, die
ineffizient ist und weniger als einhundert Prozent (100%) Stoffabbau
erzeugen kann.
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Der
bei dieser Erfindung beschriebene Plasmaerzeuger kann außerdem in
der Kammer Aerosole entweder eines pulverisierten Feststoffs oder
einer Flüssigkeit
vernichten, die in den Arbeitsgasstrom eingeleitet werden. Entsprechend
kann dieses Plasmaerzeugersystem verwendet werden, um illegale Drogen,
PCB-belastete Getriebeöle
oder nahezu jeden anderen Feststoff oder jede andere Flüssigkeit, die
in ein Aerosol umgewandelt werden können, zu vernichten. Zu anderen
Anwendungen dieses Plasmaerzeugers gehören das Reinigen von Erdboden von
organischen Verunreinigungen des Typs, die bei Benzinleckverlusten
festzustellen sind, und der Abbau von Schlamm, der für eine Entsorgung
auf eine herkömmliche
Weise zu stark verunreinigt sein könnte.
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Daher
ist, auch wenn bestimmte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung eines neuen und nützlichen Systems zum Erzeugen
eines Stroms von Hochtemperaturgas beschrieben wurden, nicht beabsichtigt,
dass solche Bezugnahmen als Beschränkungen des Umfangs dieser
Erfindung auszulegen sind, soweit dies nicht in den folgenden Ansprüchen dargelegt
wird. Auch wenn bestimmte Abmessungen, die bei der bevorzugten Ausführung verwendet wurden,
beschrieben wurden, ist des Weiteren nicht beabsichtigt, dass solche
Bezugnahmen als Beschränkungen
des Umfangs dieser Erfindung auszulegen sind, soweit dies nicht
in den folgenden Ansprüchen
dargelegt wird.