NO128176B - - Google Patents

Description

Anordning for frembringelse av en gasstrøm med høy energitetthet ved opphetning av gasser i elektriske en- eller flerfasede lysbuer.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for frembringelse av en gasstrøm

med høy energitetthet ved opphetning av

gasser i elektriske en- eller flerfasede lysbuer. Ved begrepet gass forståes her dam-per, f. eks. vanndamp, kullvannstoffdamper

og andre.

Til opphetning av gasser i elektriske

lysbuer er det kjent en rekke fremgangs-måter av hvilke én arbeider med en høy-spenningsbue, mens de andre benytter en

bue med høy strøm. Av de sist nevnte an-ordninger med høy strøm er i overveiende

grad benyttet likestrømsmatning, da van-skelighetene med å bringe en lysbue som

drives med en- eller flerfaset vekselstrøm

med stor ydelse mellom metallelektroder

til å brenne jevnt ikke kan mestres på

tilfredsstillende måte. Dertil kommer" at

sett fra den økonomiske side er anskaffel-sen av likestrømsinnretninger i alminne-lighet kostbarere, og driften er ugunstigere

på grunn av større tap ved regulerings-muligheter enn ved en- eller flerfaset vek-selstrøm.

For oppnåelse av tilstrekkelig termisk

ydelse i lysbuen må anordningen kunne

oppta tilstrekkelig energi. Ved en økning

av strømstyrken må det tas hensyn til at

strømtettheten i elektrodetverrsnittet ikke

må overskride bestemte verdier på grunn

av elektrodetemperaturen, men på den annen side må en økning av elektrodetverrsnittet av konstruktive grunner og på

grunn av den termiske virkningsgrad hol-des innen trange grenser.

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.

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.

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.

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,

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.

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.

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.

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.

I de for innføring av gassene i reaksjonsrommet anordnede ringkanaler, resp. ringspalten er innebygget diffusorer av porøst, brent eller sintret materiale.

Stillingen av ringspalten i brennkammerhuset i forhold til lysbuens stilling, og gassens utstrømningsretning fra ringspalten, er foranderlig ved utskiftning av hus-deler.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

En utførelsesform av foreliggende oppfinnelse skal beskrives nærmere under hen-visning til tegningen som viser et tverr-snitt av anordningen.

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.

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.

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.

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.

For gasstett lukning av ringkanalene 22 utad tjener ringer 23, som har tetnings-elementer som ikke er vist på tegningen.

Elektrodene 30 mates på kjent måte i samsvar med forbrenningen.

Særskilte forholdsregler har til hen-sikt å holde varmetapene minst mulige og gjøre størst mulige andeler nyttbare igjen.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (8)

1. 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, karakterisert ved at hver elektrode (30) i det område hvor de munner ut i reaksjonsrommet (4) er omgitt av en ringkanal (22) for tilførsel av gassen på sådan måte at hver elektrode (30) omstrømmes jevnt av en delstrøm av den gass som skal opphetes, og som tilføres gjennom lysbuen.

2. Anordning ifølge påstand 1, karakterisert ved at der i brannkammerhuset (2, 10) er anordnet en ringformet spalte (7) med ringformet kanal (6) og tilførsels-stusser (8), gjennom hvilken spalte (7) en ekstra gasstrøm kan føres inn i reaksjonsrommet (4) for blanding med den gasstrøm som skal opphetes av lysbuen.

3. Anordning ifølge påstand 1 og 2, karakterisert ved at elektrodene (30) er anordnet i innbyrdes spiss vinkel resp. tilnærmet parallelt, idet delgasstrømmene i reaksjonsrommet føres sammen slik at de tangerer hverandre.

4. Anordning ifølge en av påstandene 1—3, karakterisert ved at der for innstilling av strøm-spenningsforholdet i lysbuen er anordnet innretninger som er basert på reguleringen av hastigheten av den gass som gjennomstrømmer lysbuen.

5. Anordning ifølge påstandene 1—4, karakterisert ved at ved flerfaseanordninger avbrytes periodisk tilførselen av de langs elektrodene (30) tilførte delgasstrøm-mer ved hjelp av en synkront med driftsfrekvensen betjent avsperringsinnretning, slik at bare de elektroder som tilveiebringer lysbuen omstrømmes av den gass som skal opphetes.

6. Anordning ifølge en av påstandene 1—5, karakterisert ved at reaksjonsrommet (4) 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.

7. Anordning ifølge en av de fore-gående påstander, karakterisert ved at der i de for innføring av gassene i reaksjonsrommet (4) anordnede ringkanaler (22) resp. ringspalten (7) er innebygget diffusorer av porøst brent eller sintret materiale.

8. Anordning ifølge en av de foregå-ende påstander, karakterisert ved at der inne i brennkammerhuset (2, 10) er anordnet en annen ringformet kanal (3) for gjennomstrømning av et kjølemedium som eventuelt kan bestå av den gasstrøm som tilføres reaksjonsrommet (4), og som på denne måte forvarmes.