NO128176B

NO128176B -

Info

Publication number: NO128176B
Application number: NO694238A
Authority: NO
Inventors: T Tateisi; A Mori; T Takagi; M Ogino; K Hara
Original assignee: Bridgestone Tire Co Ltd
Priority date: 1968-10-29
Filing date: 1969-10-27
Publication date: 1973-10-08
Also published as: NL145916B; NL6916319A; BE740957A; GB1255349A; MY7300232A

Description

Anordning for frembringelse av en gasstrøm med høy energitetthet ved opphetning av gasser i elektriske en- eller flerfasede lysbuer. Device for producing a gas flow with high energy density by heating gases in electric single- or multi-phase arcs.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for frembringelse av en gasstrøm The present invention relates to a device for producing a gas flow

med høy energitetthet ved opphetning av with high energy density when heated

gasser i elektriske en- eller flerfasede lysbuer. Ved begrepet gass forståes her dam-per, f. eks. vanndamp, kullvannstoffdamper gases in electric single- or multi-phase arcs. The term gas here means steam, e.g. water vapor, coal hydrogen vapor

og andre. and others.

Til opphetning av gasser i elektriske For heating gases in electric

lysbuer er det kjent en rekke fremgangs-måter av hvilke én arbeider med en høy-spenningsbue, mens de andre benytter en arcs, a number of methods are known, one of which works with a high-voltage arc, while the others use a

bue med høy strøm. Av de sist nevnte an-ordninger med høy strøm er i overveiende high current arc. Of the last-mentioned arrangements with high current are predominant

grad benyttet likestrømsmatning, da van-skelighetene med å bringe en lysbue som degree used direct current supply, then the difficulties of bringing an arc which

drives med en- eller flerfaset vekselstrøm operated with single or multi-phase alternating current

med stor ydelse mellom metallelektroder with high performance between metal electrodes

til å brenne jevnt ikke kan mestres på to burn evenly cannot be mastered on

tilfredsstillende måte. Dertil kommer" at satisfactory manner. In addition" that

sett fra den økonomiske side er anskaffel-sen av likestrømsinnretninger i alminne-lighet kostbarere, og driften er ugunstigere viewed from the financial side, the acquisition of direct current devices is generally more expensive, and the operation is less favorable

på grunn av større tap ved regulerings-muligheter enn ved en- eller flerfaset vek-selstrøm. due to greater losses with regulation options than with single- or multi-phase alternating current.

For oppnåelse av tilstrekkelig termisk For the achievement of sufficient thermal

ydelse i lysbuen må anordningen kunne performance in the arc, the device must be able to

oppta tilstrekkelig energi. Ved en økning absorb sufficient energy. In case of an increase

av strømstyrken må det tas hensyn til at of the amperage, it must be taken into account that

strømtettheten i elektrodetverrsnittet ikke the current density in the electrode cross-section does not

må overskride bestemte verdier på grunn must exceed certain values due to

av elektrodetemperaturen, men på den annen side må en økning av elektrodetverrsnittet av konstruktive grunner og på of the electrode temperature, but on the other hand an increase in the electrode cross-section must for constructive reasons and on

grunn av den termiske virkningsgrad hol-des innen trange grenser. due to the thermal efficiency is kept within narrow limits.

Skal man arbeide med høyere brenn-spenning, må allerede i normal drift elektrodene anordnes i større innbyrdes avstand. Dette betinger for å unngå overslag til lysbuebrennkammerets vegger, at disse vegger er i tilstrekkelig stor avstand fra lysbuen. Derved vokser rominnholdet av lysbuebrennkammeret, hvilket igjen har tilfølge at for en gitt ydelse blir energitett-heten, som det her i første rekke kommer an på, mindre. If one is to work with a higher firing voltage, the electrodes must already be arranged at a greater distance from each other in normal operation. This requires that these walls are at a sufficiently large distance from the arc to avoid flashover to the walls of the arc combustion chamber. Thereby, the space content of the arc combustion chamber increases, which in turn has the consequence that for a given output, the energy density, which is what matters here in the first place, becomes smaller.

Gjenstanden for foreliggende oppfinnelse er en anordning hvor de nevnte van-skeligheter er overvunnet, og hvor der oppnås en rolig lysbue med en- eller flerfaset vekselstrøm mellom grafittelektroder som drives med høy strøm også ved gjennom-strømning av store gassmengder hvor samtidig lysbuebrennkammeret tjener som reaksjonsrom ved energitettheter i størrel-sesorden av 10° kcal/m<8>h. The object of the present invention is a device in which the aforementioned difficulties have been overcome, and in which a quiet arc is achieved with single or multi-phase alternating current between graphite electrodes which are operated with high current also when large quantities of gas flow through, where at the same time the arc combustion chamber serves as a reaction chamber at energy densities in the order of magnitude of 10° kcal/m<8>h.

En anordning for frembringelse av en gasstrøm med høy energitetthet ved opphetning av gasser i elektriske en- eller flerfasede vekselstrømlysbuer med minst to elektroder som rager inn i lysbuebrennkammerets reaksjonsrom, er ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at hver elektrode i det område hvor de munner ut i reaksjonsrommet er omgitt av en ringkanal for tilførsel av gassen på sådan måte at hver elektrode omstrømmes jevnt av en del-strøm av den gass som skal opphetes, og som tilføres gjennom lysbuen. A device for producing a gas stream with a high energy density by heating gases in electric single- or multi-phase alternating current arcs with at least two electrodes projecting into the reaction chamber of the arc combustion chamber is, according to the invention, characterized in that each electrode in the area where they open into the reaction chamber is surrounded by an annular channel for supplying the gas in such a way that each electrode is evenly surrounded by a partial flow of the gas to be heated, which is supplied through the electric arc.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er der i brennkammerhuset anordnet en ringformet spalte med ringformet kanal og tilførselsstusser, gjennom hvilken spalte en ekstra gasstrøm kan føres inn i reaksjonsrommet for blanding med den gasstrøm som skal opphetes av lysbuen, According to a further feature of the invention, there is arranged in the combustion chamber housing an annular gap with an annular channel and supply nozzles, through which gap an additional gas flow can be introduced into the reaction space for mixing with the gas flow to be heated by the arc,

Ved en fordelaktig utførelsesform er elektrodene anordnet i innbyrdes spiss vinkel, resp. tilnærmet parallell, idet delgass-strømmene i reaksjonsrommet føres sammen, slik at de tangerer hverandre. In an advantageous embodiment, the electrodes are arranged at an acute angle to each other, resp. approximately parallel, as the partial gas flows in the reaction space are brought together so that they are tangent to each other.

Sluttelig kan der være anordnet innretninger for innstilling av strøm-spen-nings-forholdet i lysbuen, basert på reguleringen av hastigheten av den gass som gjennomstrømmer lysbuen. Finally, there can be devices for setting the current-voltage ratio in the arc, based on the regulation of the speed of the gas that flows through the arc.

Ved flerfaseanordninger avbrytes periodisk tilførselen av de langs elektrodene tilførte delgassstrømmer ved hjelp av en samtidig med driftsfrekvensen betjent avsperringsinnretning, slik at bare de elektroder som tilveiebringer lysbuen omstrøm-mes av den gass som skal opphetes. In the case of multi-phase devices, the supply of the partial gas flows supplied along the electrodes is periodically interrupted by means of a shut-off device operated at the same time as the operating frequency, so that only the electrodes which provide the arc are surrounded by the gas to be heated.

Reaksjonsrommet er forsynt med en varmebestandig, porøs foring, f. eks. av sintret silisiumkarbid, idet et lite mellomrom er anordnet mellom innsiden av reaksjonsrommet og utsiden av foringen, slik at en gass- eller væskestrøm utenfra kan føres inn i mellomrommet. The reaction chamber is provided with a heat-resistant, porous lining, e.g. of sintered silicon carbide, a small space being arranged between the inside of the reaction space and the outside of the liner, so that a gas or liquid flow from the outside can be introduced into the space.

I de for innføring av gassene i reaksjonsrommet anordnede ringkanaler, resp. ringspalten er innebygget diffusorer av porøst, brent eller sintret materiale. In the ring channels arranged for the introduction of the gases into the reaction space, resp. the annular gap has built-in diffusers of porous, burnt or sintered material.

Stillingen av ringspalten i brennkammerhuset i forhold til lysbuens stilling, og gassens utstrømningsretning fra ringspalten, er foranderlig ved utskiftning av hus-deler. The position of the annular gap in the combustion chamber housing in relation to the position of the arc, and the direction of gas outflow from the annular gap, can be changed when housing parts are replaced.

For å hindre ødeleggelse av anordningen ved overhetning av de enkelte bestand-deler er der inne i brennkammerhuset anordnet en annen ringformet kanal for gjennomstrømning av et kjølemedium som eventuelt kan bestå av den gasstrøm som tilføres reaksjonsrommet, og som på denne måte forvarmes. In order to prevent destruction of the device due to overheating of the individual constituent parts, another ring-shaped channel is arranged inside the combustion chamber housing for the flow of a cooling medium which may possibly consist of the gas stream which is supplied to the reaction chamber, and which is preheated in this way.

Om detaljer ved foreliggende oppfinnelse skal sies følgende: Den gass som skal opphetes spaltes i flere innbyrdes like delstrømmer av hvilke hver tilføres en elektrode. Hver delstrøm legger seg ved utstrømningen i lysbuebrennkammeret som en mantel om den til-forordnede elektrode og virker samtidig kjølende på denne. The following should be said about the details of the present invention: The gas to be heated is split into several mutually equal partial streams, each of which is supplied with an electrode. Each partial flow settles at the outflow in the arc combustion chamber as a mantle around the assigned electrode and at the same time has a cooling effect on it.

Man har funnet at strøm- og spen-ningsforholdet av lysbuen kan varieres ved regulering av gassutstrømningshastigheten. Den strømmende gass fører med seg lad-ningsbærere fra lysbuesøylen et bestemt stykke ved den valgte konstruktive anordning og øker derved lengden av lysbue-søylen, og dermed også dens motstand. Derved oppnås at til tross for den lille elektro-deavstand kan der velges en høyere brenn-spenning. Dette er ensbetydende med øket energitilførsel da jo ved mindre elektrode-avstand og mindre elektrodetverrsnitt lys-buebrenn-kammeret likeledes blir mindre ved øket energitetthet. Denne tilstand blir særlig påfallende når elektrodene er tilnærmet innbyrdes parallelle. It has been found that the current and voltage ratio of the arc can be varied by regulating the gas outflow rate. The flowing gas carries with it charge carriers from the arc column a certain distance at the chosen constructive device and thereby increases the length of the arc column, and thus also its resistance. Thereby it is achieved that, despite the small electrode distance, a higher firing voltage can be selected. This is tantamount to increased energy supply, as the smaller the electrode distance and the smaller the electrode cross-section, the light-arc chamber likewise becomes smaller with increased energy density. This condition becomes particularly noticeable when the electrodes are approximately parallel to each other.

Det kan være hensiktsmessig ikke å opphete endel av utgangsgassvolumet eller også en annen som reaksjonsdeltager tenkt gass i selve lysbuen, men å bringe denne i kald eller forvarmet tilstand sammen med den delgasstrøm som opphetes i lysbuen innenfor lysbuebrennkammeret. It may be appropriate not to heat part of the output gas volume or another gas considered to be a reaction participant in the arc itself, but to bring this into a cold or preheated state together with the partial gas stream that is heated in the arc within the arc combustion chamber.

I hvilket tverrsnittsområdet av reaksjonsrommet denne tilsetningsgass fortrinnsvis skal føres inn, kan være forskjel-lig fra tilfelle til tilfelle. Det må derfor anbefales at stillingen av ringspalten gjennom hvilken tilleggsgassen bringes inn i reaksjonsrommet er foranderlig i forhold til lysbuens stilling. Into which cross-sectional area of the reaction space this additive gas should preferably be introduced can be different from case to case. It must therefore be recommended that the position of the annular gap through which the additional gas is brought into the reaction space is variable in relation to the position of the arc.

Faren for elektrisk overslag til veggene av lysbuebrennkammeret blir ifølge oppfinnelsen minsket betydelig ved tilfør-sel av en tilleggsgass. Samtidig kan også varmeoverføring til veggene ved konvek-sjon minskes på denne måte. According to the invention, the risk of electrical flashover to the walls of the arc combustion chamber is significantly reduced by supplying an additional gas. At the same time, heat transfer to the walls by convection can also be reduced in this way.

For å minske de varmetap som skyldes absorpsjon av utstrålt energi til veggene, blir brennkammeret fortrinnsvis fremstilt av et materiale med stor refleksjonsevne, resp. foret med et slikt materiale. Derved blir også formen og overflatebehandlingen av brennkammeret som reaksjonsrom vik-tig, da det kommer an på å minske varme-overgangen mellom den varme strømmende gass og reaksjonsrommets vegger. Gass-strømningen skulle derfor, bortsett fra et tynt grensesjikt, forløpe mest mulig lami-nært. En glatt overflate av reaksjonsrommet vanskeliggjør også en eventuell avlei-ring av reaksjonsprodukter, slik som f. eks. sot. In order to reduce the heat losses due to absorption of radiated energy to the walls, the combustion chamber is preferably made of a material with high reflectivity, resp. lined with such material. Thereby, the shape and surface treatment of the combustion chamber as a reaction space also becomes important, as it is important to reduce the heat transfer between the hot flowing gas and the walls of the reaction space. The gas flow should therefore, apart from a thin boundary layer, proceed as laminarly as possible. A smooth surface of the reaction space also makes it difficult for possible deposition of reaction products, such as e.g. sweet.

En utførelsesform av foreliggende oppfinnelse skal beskrives nærmere under hen-visning til tegningen som viser et tverr-snitt av anordningen. An embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawing which shows a cross-section of the device.

I denne konstruksjon blir lysbuebrennkammerets hus dannet av et rotasjons-symmetrisk legeme 2 og en elektrodebærer-flens 10. I legemet 2 er der utspart en ringformet kanal 3 for kjøling. Sentralt i brennkammerhuset 2, 10 er det egentlige som reaksjonsrom 4 tjenende lysbuebrenn-kammer anordnet. Under legemet 2 sitter elektrodebæreflensen 10, som er forbundet gasstett med dette ved dreiede fremspring 5 og innlagte pakningsringer. Lysbuebrennkammeret omgis konsentrisk av en ringkanal 6, i hvilken der gjennom rørstus-sen 8, hvis det er ønskelig, kan ledes inn en gass gjennom en ringformet spalte 7 mellom legemet 2 og elektrodebæreflensen 10 inn i rekasjonsrommet 4, som vist ved piler 9. In this construction, the arc combustion chamber's housing is formed by a rotationally symmetrical body 2 and an electrode carrier flange 10. In the body 2, an annular channel 3 is cut out for cooling. In the center of the combustion chamber housing 2, 10, the actual arc combustion chamber serving as reaction room 4 is arranged. Beneath the body 2 is the electrode support flange 10, which is gas-tightly connected to it by means of turned protrusions 5 and embedded sealing rings. The arc combustion chamber is surrounded concentrically by an annular channel 6, in which, through the pipe connection 8, if desired, a gas can be introduced through an annular gap 7 between the body 2 and the electrode support flange 10 into the reaction space 4, as shown by arrows 9.

Den likeledes rotasjonssymmetriske elektrodebæreflens 10 er festet sentralt på legemet 2. Elektrodebæreflensen 10 er forsynt med boringer for å oppta gjennom-føringshylser 20, som på sin side tjener til å holde elektrodene 30. Antallet gjennom-føringshylser 20, resp. elektroder 30 er av-hengig av strømforsyningens fasetall. I gjennomføringshylsen 20 er der anordnet kanaler i aksial retning, f. eks. ringkanaler 22, som tilfører den gass som skal opphetes fra rørstussene 21. Denne gass strømmer gjennom ringkanalene 22 og omhyller elektrodene 30 som en mantel og gjennom-strømmer lysbuen som brenner mellom elektrodene, slik at den opphetes i reaksjonsrommet 4. Gjennom rørstussen 8 kan eventuelt føres inn en annen som reaksjonsdeltager tenkt gass igjennom ringkanalen 6 og ringsporet 7 inn i den varm-este sone i reaksjonsrommet 4. The similarly rotationally symmetrical electrode support flange 10 is attached centrally to the body 2. The electrode support flange 10 is provided with bores to accommodate feed-through sleeves 20, which in turn serve to hold the electrodes 30. The number of feed-through sleeves 20, resp. electrodes 30 is dependent on the phase number of the power supply. In the feed-through sleeve 20, channels are arranged in the axial direction, e.g. ring channels 22, which supply the gas to be heated from the pipe ends 21. This gas flows through the ring channels 22 and envelops the electrodes 30 like a mantle and flows through the arc that burns between the electrodes, so that it is heated in the reaction chamber 4. Through the pipe end 8, possibly introduce another imaginary gas as a reaction participant through the annular channel 6 and the annular groove 7 into the hottest zone in the reaction chamber 4.

Gjennomføringshylsene 20 må selvsagt være isolert innbyrdes og overfor elektrodebæreflensen 10. Anvendelsen av sjikt av aluminiumoksyd som er frembragt ved ano-disk oksydasjon har i dette tilfelle vist seg hensiktsmessig. The feed-through sleeves 20 must of course be insulated from each other and from the electrode support flange 10. The use of a layer of aluminum oxide produced by anodic oxidation has proven appropriate in this case.

Det kan i enkelte tilfelle være ønskelig ved små gasshastigheter å arbeide med en mer diffus gasstrømning. Dette kan oppnås ved innsetning av en ring av porøst sintret materiale som diffusor i ringspalten 7, resp. 1 ringkanalen 22. In some cases, it may be desirable at low gas velocities to work with a more diffuse gas flow. This can be achieved by inserting a ring of porous sintered material as a diffuser in the ring gap 7, resp. 1 ring channel 22.

For gasstett lukning av ringkanalene 22 utad tjener ringer 23, som har tetnings-elementer som ikke er vist på tegningen. Rings 23, which have sealing elements that are not shown in the drawing, are used for gas-tight closing of the ring channels 22 to the outside.

Elektrodene 30 mates på kjent måte i samsvar med forbrenningen. The electrodes 30 are fed in a known manner in accordance with the combustion.

Særskilte forholdsregler har til hen-sikt å holde varmetapene minst mulige og gjøre størst mulige andeler nyttbare igjen. Special precautions aim to keep heat losses to a minimum and make the largest possible proportion usable again.

Inne i legemet 2 er anordnet en ringkanal 3, gjennom hvilken kan ledes et egnet kjølemiddel. I enkelte tilfelle, f. eks. ved tilstrekkelig stor gasshastighet og/eller ved tilstrekkelig høy varmeledningsevne av vedkommende gass, kan en gassformet reaksjonsdeltager som derefter strømmer til reaksjonsrommet anvendes for kjøling av legemet 2 eller for forvarming av gassen ledes gjennom denne ringkanal 3. An annular channel 3 is arranged inside the body 2, through which a suitable coolant can be led. In some cases, e.g. at a sufficiently high gas velocity and/or at a sufficiently high thermal conductivity of the gas in question, a gaseous reaction participant that then flows to the reaction space can be used for cooling the body 2 or for preheating the gas can be led through this ring channel 3.

Særlig i de tilfelle hvor det gjelder om-setning av mindre energi, kan der anordnes en kappe 40, som på sin innside reflek-terer stråling, og som ifølge oppfinnelsen er anordnet i en bestemt avstand efter det kjente prinsipp på flere gangers refleksjon av strålingen, for ekstra varmebeskyttelse, og en minskning av den ved opphetningen tilførte varmemengde. Especially in cases where the conversion of less energy is concerned, a cover 40 can be arranged, which reflects radiation on the inside, and which, according to the invention, is arranged at a certain distance according to the known principle of multiple reflection of the radiation , for extra heat protection, and a reduction in the amount of heat added during heating.

I enkelte tilfelle kan det anbefales ikke å la de langs elektrodene gjennom ringkanalene 22 inn i reaksjonsrommet 4 tre-dende delgassmengder strømme ut jevnt, men etter hverandre i syklisk ombytning ved periodisk avbrytning av gasstrømmen for de elektroder 30 som i øyeblikket ikke fører strøm. Dette kan skje ved hjelp av en avsperringsinnretning som drives med driftsfrekvensen. In some cases, it may not be recommended to let the partial gas quantities entering along the electrodes through the ring channels 22 into the reaction space 4 flow out evenly, but one after the other in cyclic exchange by periodically interrupting the gas flow for the electrodes 30 which are not currently carrying current. This can be done with the help of a shut-off device that is operated with the operating frequency.

Gasstrømmer som kan opphetes sterkt på denne måte, kan — eventuelt ved hjelp av en egnet profilert ekspansjonsdyse — finne mange anvendelser. Man kan f. eks. utnytte den termiske energi i gasstrøm-men direkte for skjæring, sveising eller smeltning av stoffer, og likeledes for termisk spaltning av sammensatte gassfor-mede tilførte stoffer. Man kan i andre tilfelle omsette den termiske energi i kine-tisk energi, som efterpå kan tjene f. eks. som drift av stråledrivverk. Man kan sluttelig også gjøre den ved termisk spaltning av gassmolekylene i atomer latent bundne energi utnyttbar som rekombinasjons-varme for gjennomføring av endoterme, kjemiske reaksjoner. Gas streams that can be heated strongly in this way can - possibly with the help of a suitable profiled expansion nozzle - find many applications. One can e.g. utilize the thermal energy in the gas stream - but directly for cutting, welding or melting substances, and likewise for thermal decomposition of compound gaseous substances added. In other cases, the thermal energy can be converted into kinetic energy, which can then serve, e.g. such as operation of jet engines. Finally, one can also make the energy latently bound by the thermal splitting of the gas molecules in atoms usable as recombination heat for carrying out endothermic chemical reactions.

Den i tegningen viste anordning kan selvsagt komme til anvendelse i enhver stilling i rommet, f. eks. i den omvendte stilling av den som er vist, idet da elektrode-spissene og gassuttredelsesåpningen er ret-tet nedover. The device shown in the drawing can of course be used in any position in the room, e.g. in the reverse position of that shown, the electrode tips and the gas exit opening being directed downwards.

Claims

1. Device for producing a gas flow with high energy density by heating gases in electric single- or multi-phase alternating current arcs with at least two electrodes projecting into the reaction space of the arc combustion chamber, characterized in that each electrode (30) in the area where they open into the reaction space (4) is surrounded by an annular channel (22) for supplying the gas in such a way that each electrode (30) is evenly surrounded by a partial flow of the gas to be heated, which is supplied through the electric arc.

2. Device according to claim 1, characterized in that in the fire chamber housing (2, 10) there is arranged an annular gap (7) with an annular channel (6) and supply nozzles (8), through which gap (7) an additional gas flow can is introduced into the reaction space (4) for mixing with the gas stream to be heated by the arc.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the electrodes (30) are arranged at an acute angle to each other or approximately parallel, as the partial gas flows in the reaction space are brought together so that they are tangent to each other.

4. Device according to one of claims 1-3, characterized in that for setting the current-voltage ratio in the arc, devices are arranged which are based on the regulation of the speed of the gas flowing through the arc.

5. Device according to claims 1-4, characterized in that in the case of multi-phase devices, the supply of the partial gas flows supplied along the electrodes (30) is periodically interrupted by means of a shut-off device operated synchronously with the operating frequency, so that only the electrodes which provide the arc are surrounded by that gas to be heated.

6. Device according to one of claims 1-5, characterized in that the reaction space (4) is provided with a heat-resistant, porous lining, e.g. of sintered silicon carbide, a small space being arranged between the inside of the reaction space and the outside of the liner, so that a gas or liquid flow from the outside can be introduced into the space.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the annular channels (22) arranged for introducing the gases into the reaction space (4) or the annular gap (7) has built-in diffusers of porous burnt or sintered material.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that another ring-shaped channel (3) is arranged inside the combustion chamber housing (2, 10) for the flow of a cooling medium which may possibly consist of the gas stream supplied to the reaction chamber (4 ), and which is preheated in this way.