NO124232B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparatur for

oppvarming av et reaktivt fluidum.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for oppvarming av minst ett reaktivt fluidum til høy temperatur, hvor de hule

elektroder av minst to plasmabrennere som hver omfatter en kompakt elektrode og en hul elektrode, er forbundet med hver sin vekselstrøm-kildeterminal, hvor der opprettholdes en likestrømsbue mellom hver brenners kompakte elektrode og hule elektrode, hvor det injiseres en inert gass i nevnte elektriske bue ved innløpet til den hule elektrode i hver av brennerne, hvilke er anordnet slik at plasmastrålene som dannes som følge av injeksjonen, konvergerer, og hvor det reaktive fluidum tilføres nær plasmastrålenes konvergenssone.

Med betegnelsen "reaktivt fluidum" menes et reaktivt materiale som kan være en gass, en væske eller et pulverformig fast stoff.

Fremgangsmåter av denne art er beskrevet i U.S. patentsøknad nr. 742.051. Ved disse fremgangsmåter injiseres et fluidum, som vanligvis er inert, og kan være f.eks. argon eller nitrogen, i hver av plasmabrennerne, og for å unngå overdreven tæring på elektrodene tilføres det reaktive fluidum utenfor de områder hvor buenes veksel-strøm og likestrøm treffer de hule elektroder.

Av lett forståelige grunner er det fordelaktig å bringe fluidumet inn i plasmastrålenes konvergenssone, og det er dessuten fordelaktig å tilføre det i en retning som danner samme vinkel med hver av plasmastrålene. Når man imidlertid forsøker å føre inn i plasmaet meget store mengder av det reaktive fluidum, viser det seg at veksel-strømutladningen fra de hule elektroder blir ustabil. Denne ustabil-itet skyldes avkjøling av plasmaet av den store tilførte mengde fluidum. Denne vanskelighet kan imidlertid overvinnes ved å for-bedre ioniseringen i rommet som oppvarmes av vekselstrømmen, ved å øke styrken av hver av brennernes likestrømsbue. En slik løsning er ikke den beste, fordi den krever mer kostbare likestrømskilder og medfører større energitap.

Da dessuten det reaktive fluidum ved disse kjente fremgangsmåter tilføres på tvers av og inn i plasmaet, tillater ikke disse fremgangsmåter oppvarmning av mindre mengder reaktivt fluidum til en moderat temperatur.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse er det blitt mulig ikke bare å eliminere disse vanskeligheter, men også å oppnå ytterligere fordeler som vil bli omtalt nedenfor.

I henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilføres det reaktive fluidum nær plasmastrålenes konvergenssone, i en hovedsakelig spiralformet bevegelse hvis akse heller like meget i forhold til hver av de ovennevnte plasmastråler.

I det tilfelle hvor en stor mengde reaktivt fluidum skal oppvarmes til en høy temperatur, kan det reaktive fluidums spiralbevegelse med fordel orienteres mot plasmastrålenes konvergenssone, slik at det reaktive fluidum strømmer roterende inn i konvergenssonen . Det har i dette tilfelle vist seg at det reaktive fluidums hvirvelbevegelse idet det strømmer inn i plasmaet, avstedkommer grundig blanding av det reaktive fluidum med plasmaet. Dessuten frembringer det reaktive fluidums hvirvelbevegelse en sugevirkning på det tilførte fluidum i det nøytrale treffpunkt mellom vekselstrøras - ut ladningene.

Når derimot det reaktive fluidum skal oppvarmes til en moderat temperatur, orienteres det reaktive fluidums spiralbevegelse således

at fluidumet ikke treffer plasmastrålenes konvergenssone.

Ved denne spesielle utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen påvirkes fluidumet hovedsakelig ved stråling fra plasmaet .

Dersom store mengder reaktivt fluidum skal oppvarmes, eller det ønskes å blande to reaktive fluidumer ved høy temperatur, kan de to ovenfor omtalte utførelsesforme r av fremgangsmåten kombineres. Eksempelvis kan den ene av de to reaktive fluidumers hvirvelbevegelse orienteres vekk fra plasmastrålenes konvergenssone, mens hvirvelbevegelsen av det andre reaktive fluidum orienteres mot konvergenssonen, slik at sistnevnte fluidum først trenger inn i konvergenssonen og deretter trenger inn i det førstnevnte reaktive fluidum.

I en foret rukken utførelsesform av oppfinnelsen, hvor minst tre plasmabrennere benyttes, går hvirvelbevegelsen som bibringes det reaktive fluidum, i samme retning som det roterende felt av tre-fasestrømmen som sirkulerer mellom de tre brennere.

Oppfinnelsen angår likeledes en apparatur for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvilken apparatur omfatter minst to plasmabrennere, som hver innbefatter en kompakt elektrode og en hul elektrode, idet begge er tilkoblet en likestrømskilde for hver brenner, en innretning for tilførsel av en inert gass eller en blanding av inerte gasser gjennom hver av de hule elektroder, hvilke hule elektroder er tilkoblet hver sin terminal av en vekselstrømskilde, og er således orientert at plasmastrålene fra plasmabrennerne konvergerer, samt innretninger for tilførsel av det reaktive fluidum nær (eller i) plasmastrålenes konvergenssone.

I henhold til oppfinnelsen omfatter apparaturen minst én innretning til å innføre det reaktive fluidum med hovedsakelig spiralformet bevegelse i eller nær plasmastrålenes konvergenssone, idet spiralens akse danner en praktisk talt like stor vinkel med hver av plasmastrålene. Denne innretning for å bibringe det reaktive fluidum en spiralformet bevegelse kan f.eks. være et rør av form som en avkortet konus eller et sylindrisk rør, med et tangensialt innløp for fluidumet.

Den vedføyede tegning viser noen eksempelvise utførelsesformer av apparaturen ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser et skjematisk, horisonta'lt tverrsnitt av en første utførelsesform av apparaturen ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et skjematisk tverrsnitt gjennom nevnte utfør-elsesform av apparaturen, etter planet II-II på fig. 1. Fig. 3 viser på samme måte som fig. 2 et skjematisk tverrsnitt, men av en annen utførelsesform av apparaturen ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser på tilsvarende måte som fig. 2 og 3 et skjematisk tverrsnitt av en spesiell utførelsesform av apparaturen ifølge opp-f innelsen.

Fig. 5 viser et forstørret utsnitt fra fig. 3.

På samtlige figurer er de samme deler gitt de samme henvisnings-tall.

Henvisningstallene 1, 2 og 3 betegner tre plasmabrennere.

Sett ovenfra er disse anordnet med 120° vinkler mellom hverandre, og de er orientert langs generatrisene av en tenkt, omvendt konus med toppen pekende nedover og plassert i sentrum av konvergenssonen av plasmastråler 4, 5 og 6 som utgår fra de tre brennere. For enkelhets skyld viser fig. 1 brennerne som om de var anordnet i samme plan.

Hver av de tre brennere omfatter en kompakt elektrode 7» 8, 9> og en hul elektrode, 10, 11, 12.

Brennerne 1, 2 og 3 tilføres likestrøm fra likestrømskilder 13, 14 og 15) for å opprettholde en likestrømsbue mellom den kompakte elektrode og den hule elektrode i hver brenner.

De hule elektroder, 10, 11 og 12, er. hver tilkoblet en av fasene av en tre-faset vekselstrømskilde 16, hvis nøytrale punkt holdes ved samme potensial som det sentrale treffpunkt i plasmastrålenes 4, 5 og 6 konvergenssone 17- Dette sentrale punkt er der-for vekselstrømsutladningenes nøytrale punkt. Vekselstrømskilden 16 tjener på den ene side til å øke energien av plasmastrålene 4, 5

og 6 som avgis av brennerne 1, 2 og 3, og på den annen side til å frembringe et roterende magnetfelt som innvirker på plasmastrålenes konvergenssone.

Forholdet mellom energien som utvikles av vekselstrømskilden 16, og energien som utvikles totalt av likestrømskildene 13, 14 og 15, er fortrinnsvis større enn 3:1.

Apparaturen kan innbefatte en Innretning (ikke vist) med evne til å overlagre det roterende felt som frembringes av vekselstrøms-kilden 16, med et roterende hjelpemagnetfelt.

I

De hule elektroder IO, 11 og 12 har hulrom såsom l8 for

sirkulering av kjølemedium.

Apparaturen som er vist på fig. 1 og 2, innbefatter likeledes

et vertikalt rør 19 av egnet form, som er anordnet over plasmastrålenes 4, 5 og 6, konvergenssone 17. Dette rør 19 har form som en avkortet konus 20, som omgir en indre, konisk kjerne 21, og øverst er forsynt med et skrånende innløpsrør 22 for innføring av det

. "reaktive fluidum, som vist ved pil 23. Innløpsrøret 22 er således anordnet i forhold til rørets 20 vegg at det reaktive fluidum 23

føres tangensielt inn i rommet 19, fra hvilket det med en roterende bevegelse som er vist skjematisk ved spiralen 24, føres gjennom plasmastrålenes konvergenssone 17. Det reaktive fluidum, som

ioniseres ved kontakt med plasmaet i denne sone, rettes fveks. mot et reaksjoirsområde i en ovn (ikke vist) som oppvarmes av plasma - brennerne 1, 2 og 3 •

■ ./SB; •

Ved innvirkningen av ^e^;reaktive fluidums hvirvelbevegelse

suges de elektriske utladningjsSs nøytrale punkt oppover som vist på fig. 2, gruniiet vakuumet som dannes i fluidumspirålens akse som følge av sentrifugalkreftene. De prikkede linjer 25 og 26 v_iser fiamméspissenes posisjon og deres konvergenspunkt i det tilfelle

hvor det reaktive fluidum tilføres vertikalt inn i fIamméspissenes konvergenssone 17 ved en overføriffgsbevegelse.

Ved én alternativ utførelsesform av apparaturen (ikke vist) er deri indre avkortet kjegleformige kjerne 21 erstattet med en plate som er gjennomboret av ledérhull som kommuniserer med det koniske røa: 2o og er forbundet med innløpsrør 22. Disse lederJgriill anordnes således at de gir <iet reaktive fluidum en spiralformet hvirvelbevegelse på innsiden av røret 20.

Utførelsesformen som er vist på fig. 3> er beregnet for moderat

oppvarming av små mengder reaktivt fluidum.

Denne apparatur innbefatter et sylindrisk, vertikalt rom 27 som ér avgrenset av en sylinder 28, som er anordnet under plasmastrålenes 4, 5 og 6 konvergenssone 17, med aksen sentrert med denne konvergenssone. Øverst er rommet 27 forbundet med innløpsrør 29 for det reaktive fluidum 23. Sirkulære vinger 30 er festet til den øvre del av sylinderens 28 vegg for å gi fluidumet som strømmer ut fra injeksjonsrøret 29, en spiralformet bevegelse som fører fluidumet bort fra plasmastrålenes konvergenssone 17. Denne hvirvelbevegelse av det reaktive fluidum er vist skjematisk ved spiralen 31.

Det reaktive fluidums, hvirvelbevegelse frembringer et sug mot fluiduminntaket på vekselstrømsutladningenes nøytrale punkt.

Ved en utførelsesform av oppfinnelsen, med spesielt henblikk

på oppvarmning av store mengder reaktivt fluidum til relativt lav temperatur, f.eks. til 1500 - 2000°C, innføres fluidumet fortrinnsvis i to trinn. Ved liten eller middels fluidumgjennomgang innføres først en første fraksjon av fluidumet som skal oppvarmes, på opp-strømssiden av konvergenssonen 17, idet det gis en spiralformet bevegelse, slik dette er vist på fig. 1 og 2. Dette er for å unngå utblåsing av den tre-fasede vekselstrømsbue. Det reaktive fluidum oppvarmes derved til omtrent 4000 - 5000°C og virker til å opprettholde gunstige termiske betingelser i rommet som krysses av den tre-fasede vekselstrøm, hvorved en stabil vekselstrømutladning sikres.

I et annet trinn, og samtidig med det første trinn, injiseres en annen fraksjon av det reaktive fluidum som skal oppvarmes, på nedsiden av konvergenssonen 17, idet den gis en spiralformet bevegelse som fører fluidumet vekk fra sone 17. Denne tilførsel av den annen fraksjon av det reaktive fluidum utføres .som vist skjematisk på

fig. 3 og som beskrevet nedenfor. Den annen fluidumfraksjon for-tynnes deretter med den første fluidumfraksjon, slik at den ønskede middeltemperatur oppnåes, og likeledes en jevn radiell fordeling av temperaturene.

Fig. 4 viser en apparatur som er særlig egnet for denne ut-førelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Denne spesielle utførelsesform er en kombinasjon av utførelses-formene som er vist på fig. 1 og 2 på den ene side, og på fig. 3 på den annen side. Den omfatter et rørformet rom 19 svarende til rom 19 i den på fig. 1 og 2 viste apparatur. i rommet 19 gis en første fraksjon av fluidumet som skal oppvarmes, en spiralformet bevegelse før fluidumfraksjonen krysser plasmastrålenes konvergenssone 17. Apparaturen innbefatter likeledes et rom 27 svarende til rom 27 på fig. 3> hvor den gjenværende fraksjon av fluidumet som skal oppvarmes, gis en spiralformet bevegelse som leder fluidumet bort fra plasmastrålenes 4, 5 og 6 konvergenssone 17. De to rør 19 og 27 er anordnet det ene over og det annet under konvergenssonen 17, i den samme vertikale akse, slik at fluidunfraksjonen som strømmer ut fra rommet 19 og krysser konvergenssone 17, deretter trenger inn i rommet 27 og der blandes med den annen fluidumfraksjon, som er mindre oppvarmet.

En av tilleggsfordelene ved dette doble injeksjons system er

den mulighet systemet gir for å stabilisere den ønskede posisjon av de tre-fasede elektriske utladningers nøytrale punkt ved etter ønske å bevege det nøytrale punkt i retning mot fluidumet som kommer ovenfra, eller i retning mot fluidumet på nedsiden, i begge tilfeller langs rommenes 19 og 27 felles vertikale akse.

Denne forflytning av det nøytrale punkt kan reguleres ved at man på den ene side varierer tilførselen av fluidum til rommet 19,

og på den annen side varierer tilførselen av fluidum til rommet 27, hvorved sugningskreftene som utøves på det nøytrale punkt for de elektriske utladninger av de roterende fluidumsøyler i rommene 19 og 27, modifiseres.

Fig. 5 viser skjematisk de tre motvirkende krefter som be-stemmer posisjonen av dette nøytrale punkt, nemlig trykkreftene 32

og 33 i rommene 19 og 27, og kraften 34 som utøves av det roterende felt som dannes av den tre-fasede vekselstrømskilde, og som virker i retning av å skille plasmastrålene 4, 5 og 6 fra hverandre.

Ved at man avpasser mot hverandre de to motvirkende krefter som frembringes ved tilførsel av fluidumet henholdsvis på oppstrømssiden og på nedstrømssiden av de elektriske utladningers nøytrale punkt, blir det mulig å kompensere for virkningen av magnetkreftene og å stabilisere det nøytrale punkt.

Apparaturen ifølge oppfinnelsen er spesielt beregnet for bruk

i en ovn for varmebehandling av et reaktivt fluidum. I det tilfelle hvor et særlig reaktivt fluidum anvendes, såsom f.eks. oxygen, vil det være fordelaktig å velge en apparatur som vist på fig. 4 og som beskrevet ovenfor. Med en apparatur av denne type oppstår færre problemer med hensyn til beskyttelse av veggene av rommet hvor buen befinner seg, mot forhøyede temperaturer, fordi oxygen ved relativt lav temperatur innføres i rommet 27, hvorved påkjenningene på

rommets 27 vegger blir mindre.

Bruken av én enkelt hvirvelinjeksjon eller, alternativt, av en to-trinns hvirvelinjeksjon er også fordelaktig med henblikk på energimengden som må tilføres de tre plasmabrennere i form av like-strøm. Da ioniseringsbetingelsene mellom de tre brennere er gunstigere, er det mulig, uten risiko fqr at vekselstrømsbuen slukkes, å redusere energien som avleveres i likestrøm, noen få sekunder etter at tre-fasevekselstrømsbuen er slått. Med andre ord oppnåes i løpet av det korte tidsrom hvor vekselstrømsbuen slåes, en relativt stor energimengde fra likestrømskildene, f.eks. en energimengde svarende til 20 - 30% av den overlagrede vekselstrømsenergi. Så snart imidlertid denne overlagrede vekselstrømsenergi har oppvarmet det reaktive fluidum i rommet som omgir brennerne, kan likestrømsenergien reduseres til det nivå som er nødvendig for å opprettholde veksel-st rømspla smast rålene uten risiko for at disse blåses ut av fluidumet som tilføres nær eller i konvergenssonen (i ett eller to trinn) i en roterende bevegelse. Injeksjonen i to trinn krever ikke nødvendigvis anvendelse av det samme fluidum, da det sier seg selv at to for-skjellige fluidumer kan tilføres henholdsvis på oppstrømssiden og på nedstrømssiden, dersom det ønskes å avstedkomme reaksjon mellom dem.

I en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen kan man i til-legg til den intense blandeeffekt som oppnåes ved den hvirvlende bevegelse av fluidumet og ved rotasjonen av feltet som utvikles av den elektriske strøm som passerer fra den ene elektrode til den annen,

også anvende et magnetisk hjelpefelt for å frembringe en rotasjon av hele massen av ionisert fluidum, på samme måte som rotoren i en induksjonsmotor.

I en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen kan vekselstrøms-utladningenes nøytrale punkt stabiliseres ved at man varierer vinkelen mellom de tre flammespisser 4, 5 og 6, samtidig med at man varierer det roterende fluidums ankomststed (rom 19 og/eller 27),

idet det vil forståes at posisjonen av det nøytrale punkt bestemmes av to motvirkende krefter, nemlig suget som forårsakes av det roterende fluidum, og magnetkreftene som utøves av vekselstrømsbuene,

hvilke krefter er dess større dess skarpere vinkelen mellom de tre flammespisser 4, 5 og 6 er.

I en spesiell utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen (ikke vist) injiseres ytterligere et reaktivt fluidum I"'::' sideveis inn i minst én av plasmastrålene, gjennom den hule elektrode hvor plasmastrålen befinner seg, på nedstrømssiden av den elektriske bues støtsone i denne elektrode.

Som angitt innledningsvis, kan f remgangsmåtieri utf øres under anvendelse av co brennere som tilføres en-faset strøm, eller fire brennere som får tilført to-faset st::øm, eller de.i kan utføres under anvendelse av tre eller flere brennere for tre-faset strøm eller fler-faset strøm, hvor antallet faser svarer til antallet av brennere.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte ved oppvarmning av minst ett reaktivt fluidum til hoy temperatur, hvor de hule elektroder av minst to plasmabrennere som hver omfatter en kompakt elektrode og en hul elektrode, er forbundet med hver sin terminal av en vekselstrdmskilde, hvor det opprettholdes en likestromsbue mellom den kompakte elektrode og den hule elektrode i hver brenner, hvor en inert gass injiseres i den elektriske bue ved innlopet til den hule elektrode av hver brenner, idet brennerne er således orientert at de frembragte plasmastråler konvergerer, og hvor det reaktive fluidum tilfores i eller nær plasmastrålenes konvergenssone, karakterisert ved at det reaktive fluidum tilfores i en spiralformet bevegelse i eller nær plasmastrålenes konvergenssone, idet spiralens akse danner hovedsakelig samme vinkel med hver av plasmastrålene.

2. Fremgangsmåte ifdlge krav 1,karakterisert ved at det reaktive fluidums spiralformede bevegelse orienteres mot plasmastrålenes konvergenssone, slik at det reaktive fluidum vil krysse denne sone mens det beveger seg i en spiral.

3. Fremgangsmåte ifdlge krav 1, karakterisert ved at det reaktive fluidums spiralbevegelse orienteres slik at det reaktive fluidum fores bort fra plasmastrålenes konvergenssone.

<1>+.

Fremgangsmåte ifdlge et av kravene 1-3? hvor det benyttes minst tre plasmabrennere, karakter'isert ved at ret-ningen av det reaktive fluidums rotasjon rundt spiralaksen orienteres etter rotasjonsretningen av feltet som frembringes av veksel-strommen. *5r" Fremgangsmåte ifolge et av kravene 1 - h, for oppvarmning av to reaktive fluidumer, karakterisert ved at man orienterer spiralbevegelsen av det ene av de to fluidumer slik at det ledes bort fra plasmastrålenes konvergenssone, mens spiralbevegelsen av det annet reaktive fluidum orienteres mot nevnte konvergenssone, slik at sistnevnte fluidum forst krysser konvergenssonen og deretter trenger inn i det forstnevnte. fluidum.

6. Fremgangsmåte ifolge krav 5, karakterisert ved at man avpasser mot hverandre de tilforte mengder av de to reaktive fluidumer for å kompensere for virkningen av det av vekselstrdms-kilden frembragte roterende felt på posisjonen av vekselstrdmsutlad-ningenes ndytrale punkt.

7. Fremgangsmåte ifdlge et av kravene 1-6, karakterisert ved at ytterligere et reaktivt fluidum injiseres sideveis i minst en av plasmastrålene, på tvers gjennom den hule elektrode hvorfra plasmastrålen utsendes, på nedstrdmssiden av den i nevnte elektrode seg befinnende elektriske bues stotsone.

8. Apparatur for utfdrelse av fremgangsmåten ifdlge krav 1, omfattende minst to plasmabrennere som hver er forsynt med en kompakt elektrode og en hul elektrode, hvilke begge er tilkoblet en like-strdmskilde, innretninger for tilforsel av en inert gass eller en blanding av inerte gasser gjennom hver av de hule elektroder, hvilke hule elektroder er tilkoblet hver sin terminal av en vekselstrdmskilde og er orientert slik at plasmastrålene som utsendes av hver av plasmabrennerne, konvergerer, samt innretninger for tilforsel av det reaktive fluidum i eller ved plasmastrålenes konvergenssone, karakterisert ved at de omfatter minst én innretning til å gi det reaktive fluidum, for dette tilfores i eller ved plasmastrålenes konvergenssone, en spiralformet bevegelse rundt en akse som danner en hovedsakelig like stor vinkel med hver av plasmastrålene.

9. Apparatur ifolge krav 8,karakterisert ved at innretningen for å gi det reaktive fluidum en spiralformet bevegelse, omfatter et hovedsakelig sylindrisk ror eller et ror av form som en avkortet konus, og en rorledning for tangensiell innforing av fluidumet i nevnte ror.

10. Apparatur ifolge krav 9, karakterisert ved at roret, på nivå med inntaksrdrledningen, innvendig er forsynt med vinger eller lignende anordninger for å gi fluidumet en spiralformet bevegelse langs rdrveggen.

11. Apparatur ifolge krav 9,karakterisert ved at det inne i roret, langs dettes akse, er anordnet en sylindrisk kjerne eller en kjerne av form som en avkortet konus.

12. Apparatur ifolge krav 11, karakterisert ved at den omfatter ytterligere et ror av form som en sylinder eller en avkortet konus, med en tangensiell innldpsrorledning for tilforsel av et annet reaktivt fluidum, at de to ror er koaksiale og er anordnet på hver sin side av plasmastrålenes konvergenssone, med innlopsrorledningen for det annet reaktive fluidum til det annet ror orientert således i forhold til veggen av det annet ror at det annet reaktive fluidum bibringes en hovedsakelig spiralformet bevegelse som leder fluidumet vekk fra plasmastrålenes konvergenssone.