Opis patentowy opublikowano: 1987 08 15 139664 Int. CL4 H05H 1/26 H05B 7/18 Twórcy wynalazku: Sven Santen, Palne Mogensen, Mats Kaij, Jan Thórublom Uprawniony z patentu: SKF Steel Engineering AB, Hofors (Szwecja) Urzadzenie do elektrycznego ogrzewania gazów Przedmiotem 'wynalazku jest urzadzenie do elek¬ trycznego ogrzewania gazów,, zwlaszcza generatora plazmowego, posiadajace dwie cylindryczne elek¬ trody, z których jedna ma jeden koniec zaslepio¬ ny, a druga ma oba konce otwarte. Wymienione elektrody sa podlaczone do zródla pradu elektry¬ cznego, powodujacego powstanie miiedzy elektro¬ dami luku elektrycznego. Urzadzenie posiada rów¬ niez uklad1 doprowadzajacy don gaz.Gorace gazy sa uzywane w procesach przemy¬ slowych do przenoszenia energii! cieplnej 'i/liufo w reakcjach cherniciznych. Objetosc (gazu jest czesto bardzo duza, co pociaga za soba wysokie koszty obsluga, a ilosc gazu moglaby byc znacznie zre¬ dukowana pod warunkiem, ze gaz móglby posia¬ dac wieksza entallfciie. lub gestosc energii moglaby byc wieksza.Jednym ze spostobów zwiekszania energii gazu jest stosowanie wymlienników ceipla. Jednakze, po¬ niewaz sprawnosc przekazywania energia z wy¬ miennika do gazu jest niska, nie jest to zbyt szczesliwe roiwliazanie. Innym sposobem jest bez- posiredniie ognzewainie gazu poprzez spalanie, przy¬ kladowo, stalych paliw. Jednakze, jezeli gaz ma byc skladnikiem reakcja chemicznej, ogrzewanie go poprzez spalarnie jest czesto niekorzystne, po¬ niewaz moze to spowodowac zanieczyszczenie ga¬ zu i zmiane produktu reakcji Pewne procesy che-, miiczne, zwlaszcza pirocesy metalurgiczne wymaga¬ lo 15 20 25 30 ja bardzo wysokich temperatur, rzedu lOOO-^WO^C i/lub doprowadzenia znacznych ilosci energii, za pomoca regulowania zawartosci tlenu. W takich przypadkach proces takze moze byc sterowany poprzez regulowanie ilosci gazu a takze przez zmiane entalpin' gazu przy zachowaniu jego obje¬ tosci1 i przy regulowanej zawartosci tlenu. W pe¬ wnych warunkach konieczne jest precyzyjne re¬ gulowanie ilosci gazu, np# gdy gaz zawiera jeden luib kilka skladników reakcji chemicznej.Znanych jest wiele urzadzen spelniajacych wszy¬ stkie te wymagania. Stwierdzono, ze najkorzyst- niiejsjza technika jest zastosowanie luku elektrycz¬ nego powoduijacego powstanie plazmy. < Jeden z takich generatorów plazmowych jest znany z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 301 995. Generator ten posiada: dwie, chlodzone woda cylindryczne elektrody rozmiesz¬ czone wzdluz jednej osi i oddalone od' siebie, przy czyni jedna- elektroda ma jeden koniec zaslepio¬ ny, natomiast - druga ma oba. konce otwarte, dy¬ sze usytuowana w okolicy elektrody o otwartych koncach, chlodzona woda komore, której sred¬ nica jest znacznie wieksza niz srednica elektrod i szczeliny miedzy elektrodami, umieszczonego w sciance komory urzadzenia doprowadzajacego, gaz do komory oraz przewodu z dysza ukierunkowu¬ jaca przeplyw gazu, który ma byc ogrzany w ko¬ morze. Aiby uzyskac wirowanie luku, wokól eilek- 139 664 139 664 3 4 trod moga ibyc umieszczone cewki magnetyczne.Przedmiotem natomiast oipdlsiu patentowego St.Zjedto. Ameryki! nx 37i0#9i7i5 jest samostafbiliniy ge¬ nerator plazmowy (zmiennopradowy posiadajacy szczeline miedzy rozstawionymi osiowo elefctr odia¬ mi. Szczelina jest dostatecznie waiska, aby umozli- wdc zaplon luku co kazde pól okresu. W tym generatorze plazmowymi luk jest zapalany w ko¬ morze elektrodo ogrzewa gaz. Miedzy elektroda¬ mi jest umieszczona^ przegroda posiadajaca kanaly nadajace gazu wysoka predkosc katowa, jak i skladowa osiowa, która zapalla luk w komorze reakcyjnej.Patent Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 33609i8i8 dotyczy zas generatora plazmowego majacego po¬ dzielone, ograniczone kanaly miedzy anoda i ka¬ toda, Komora luku moze byc okreslona jako nad- dziwdekowa dysza i stanowi wykorzystamy dio o- grzewanaa tunel aerodynamiczny. Katoda luku u- mieszczona przed dysza, a katoda — za dysza, sa zbudowane z przewodzacych prad segmentów odizolowanych od siebie i majacych ksztalt piers- aiemd. Dysze tworzy podluzny waski kanal o jedno- liltej srednicy. Pnzez kanal ten przechodzi luk elektryczny.Te znane, opisane powyzej rodza-je generatorów plazmowych nie sa "pozbawione ograniczen i wadu Oddzielende elektrod wftotetn gazu oznacza, ze dlugosc luku a wiec i napiecie jest uzalezniona od predkosci przeplywu gazu. Przy stalym nate¬ zeniu, aby zwiekszyc napiecie predkosc gazu musi wzrosnac, co powoduje zmniejszenie entalpii giazu opuszczajacego generator.Przy spotykanym zazwyczaj nadcisnieniu rze¬ du 1—10 bar, napiecie jest wzglednie niskie, okolo l«0O0 V. Jedyna droga zwiekszenia wydajnosci u- rzajdzenia jest zwiekszenie natezenia pradu, co po¬ woduje zmów zmniejszenie zywotnosci elektrod.Przy kanalach segimentowych, to znaczy, gdy plytki izolacyjne sa ulozone przemiennie z plytka¬ mi elektrod, ograniczone jest maksymaJlne napie¬ cie a wiec takze i wydajnosc, poniewaz przeplyw zimnego gazu wizdluz scianka! jest zaklócony, co moze spowodowac zbyt'wczesne opadniecie luku.Istnieje takze ndebezpieczenlstwo, ze $uk zamiast przechiodzic przez srodek kanalu przeskoczy wzgle¬ dnie cienka plytke izolacyjna 'miedzy plytkami elektrod.Znane dotychczas generatory plazmy powstaly glównie dla celów laboratoryjnych i nie nadaja sie do wykorzystania- przemyslowego ze wzgledu na - ich skomplikowana konstrukcje. Dotyczy to zwlaszcza generatorów typu segmentowego, wyma¬ gajacych wieilu polaczen doprowadzajacych chlo¬ dziwo, gaz itp.Ceiem nandejseego wynalazku jest zatem uzy- ^ skanie. generatora plazmowego majacego wysoka wydajnosc, zywotne elektrody, wysoka sprawnosc i prosta trwala konstrukcje umozliwiajaca jego przemyslowe zastosowanie.Cel ten zostal osiajgniety w urzadzeniu do elek¬ trycznego ogrzewania gazów — generatorze plaz¬ mowym posiadajacym cylindryczne elektrody podla¬ czone do'zródla pradu oraz uklad doprowadzajacy gaz idizieki temu, ze pomiiiejdzy wymienionymi ele¬ ktrodami jest umieszczona< przynajmniej jedna przekladka o dlugosci 100 do 500 mim.Korzystnie, urzadzenie zawiera dwa koncowe 5 moduly, z których kazdy ma odpowiednia elek¬ trode koncowa, oraz polaczenie z pradem elek¬ trycznym, gazem i chlodziwem, srodkowe moduly posiadajace przekladke i polajozeniie z gazem i chlo¬ dziwem, przy czym wymienione polaczenia sa szybkozlaczami, o eHementy laczace kilka modulów ze soba i z kazdym modulem koncowym. Char- rakterylstyfca robocza moze byc wiec latwo i wy¬ godnie dostosowana do wymagan poprzez usunie¬ cie luib idodanie jednej lufo kiUku , przekladek.L/uk jest ustabilizowany przez tafcie ustawienie szczelin doprowadzajacych gaz, ze strumien gazu posiada rotacje. Rotacja strumienia gazu lacznie z dhlodnynii sciankami daje centryczny, stabilny luk o lekkim przemieszczeniu wewnetrznym, a wiec i wyzszej temperaturze. Pociaga to za soba pewne wady w postaci malego spadku-napiecia i wysokich strat promieniowania.Urzadzenie wedlug wynalazku w innym przy¬ kladzie wykonania ma stopniowana, zwiekszajaca sie w kierunku przeplywu gazu, srednice. Wyste¬ puje przynajmniej' jeden stopien, a stosunek sred¬ nicy przed stopniem do srednicy za stopniiem za¬ wiera sie miedzy 0y5 a !l, zwlaszcza- miedzy 0,7 a D,9u Zwiekszajaca sie stopniowo srednica, wywoluje rotacje srodka strumienia gazu, który przemie¬ szcza sie wzdluz spirali i przecinajac luk ochla¬ dza go. Powoduje to, przy stalym natezeniu pra¬ du i stalym przeplywie gazu, zwiekszenie napie¬ cia luku przy zachowaniu tej samej; sprawnosci, bajdz tez urzadzenie moze byc bardziej zwarte przy tej saniej wydajnosci.W lininyim wykonaniu urzadzenia, na odcinku na którym powstaje luk, zastosowano elektroma¬ gnes Md inny element wytwarzajacy pole magne¬ tyczne, którego linte sa prostopadle do luku. W rezultacie luk jest lekko przesuniety wzgledtem geometrycznego srodka kanalu, co pozwala uzy¬ skac podobny efekt, jak przy zastosowaniu zmien¬ nej skokowo srednicy.W obydwu tych wykonaniach urzadzenia konie¬ czne jest zastosowanie dlugich segmentów wedlug wynalazku, co zapewni niezaklócony przeplyw, a wiec zwiekszy napiecie luku przy zachowanllu wy¬ sokiej sprawnosci.(Przedmiot wynallazku jest uwidoczniony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia, schematycznie, przyklad wykonania unzajdzenia wedlug wynalazku, fig. 2 — urzadze¬ nie przedstawione na ifiig. i' w przekroju przez szczeline doprowadzajaca gaz, wzdhiz linii II—II, fig. 3 — urzadzenie wedlug wynalazku majace stopniowana srednice, fig. 4 — urzadzenie wedlug wynalazku posiadajace cewke magnetyczna wy¬ twarzajaca poprzeczne piófle* magnetyczne.Urzadzenie 1 wedlug wynalazku- (fig. 1) ma dwie cylindryczne elektrody 2 i 3, z których pierwsza posiada zaslepiony wodny koniec 4, natomiast wol¬ ny koniec "5 drugaej jest otwarty. Miedzy elektro- 15 20 ss 30 35 40 45 50 55 60 \139 664 darni sa uirriiesaczone przekladki 6 i 7. W przedr stawionym wykonaniu zastosowano dwie przeklad¬ ki, lecz zarówno ilosc jak i dlugosc przekladek moze byc zmienna., ca zostanie wyjasniane po¬ nizej.IMiejdzy elekltirodlaimi i przekladkami oraz miedzy przekladkami uirnlieszczono sizczeliny 8, 9 i 10 do- prowadzaijajce gaz. Ponadto, w tym wykonaniu, istnieje doprowadzajaca gaz szczelina 11 w oko¬ licach zaslepionego konca pierwszej elektrody., Ofbie eilefctirody i przekladki isa, chlodzone woda, co umozliwiaja wloty i wyloty 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 wody. Korzystne jest gidy zarówno elek¬ trody jiak i przekladki isa wykonane z miedzi lulb jej stopów.Alby wytworzyc eflekltiryczny luk 20 miedzy dwie¬ ma elektrodami, sa one polaczone ze zródlem pra¬ du, nie przedstawionym szczególowo na rysunku.Wokól kazdej elektrody jest umieszczona cewka magnetyczna lub staly magnes, 21, 22 odpowiednio, wyltwaiTzaijajce pole magnetyczne powodujace rota¬ cje, punktów 23, 24 zaczepienia luku, Waejksza czejsó ogrzewanego gazu jest doprowa¬ dzana' miedzy elektroda 2 i prizylegiajaca przeklad¬ ka 6. Uklad tego wlotu .gazu sjest taki, ze stru- mieniowl gazu nadawana jest skladowa predkosci poczatkowej o zwrocie przeciwnym do glównego kierunku przeplywu, co umozMwia przemieszcza¬ nie podfeuzne punktów zaczepienia luku1 przez „zwiewanie". Czesc glównego istrumienia gazu mo¬ ze byc oddzielona i wprowadzona przez szczeline U kolo zaslepionego konca elektrody. Szczelina 11 powinna byc 'skonstruowana w taki sposób, aby gaz (byl kierowany zgodnie z glównym kie¬ runkiem przeplywu. Zastosowanie fluidyzera 25 lub innego elementu' sterujacego przeplywem zwia¬ zanego z dwiema wflótowymi szczecinami 8 i 11 umozljiwlia regulowanie ilosci gazu doprowadzane^ go przez szczelinie 11 przy zaslepionym koncu 4.ZnointiejISKa to zuzycie elektrod, poniewaz punkt za¬ czepienia luku moze byc przemieszczany. Ten „e- fekt zwaewariia" moze byc wykorzystany do zmia¬ ny dlugosci luku, przez co mozna uzyskac pewne zmiany mocy luku.Gaz wplywajacy przez szczeliny 8, 9, 10 miedzy przekladkami oraz miedzy ostatnia przekladka i otwarta elektroda ma za zadanie zabezpieczyc luk przed zbyt wczesnym opadnieciem. Wplywajace¬ mu gazu nadawana jest predkosc majaca sklado¬ wa styczna i skladowa osiowa. Szczelina powiirma miec szerokosc 0,5^H5 mm.Przy powierzcnni wewnetrznych' scianek elek¬ trod' i przekladek znajduje sie chlodndejisza, wi¬ rujaca warstwa gazu otaczajaca luk, który prze¬ biega w zasadzie przez srodek cyliindirycznej prze¬ strzeni. Alby uzyskac te wairstwe,- gaz jest wtla¬ czany przez wloty umieszczone wzdluz luku.Gdy gaz doplywa do wylotu koncowej elektro¬ dy, luk elektryczny wchodzi! w kontakt ze scian¬ ka elektrody. Srednia temperatura wyplywajace¬ go gazu- moze sie zmieniac ód 2O0O do 1DOOO°C w zaleznosci od wydajnosci luku i natezenia prze¬ plywu gazu.Jak Nuwidoczniono na fiig. 2, szczeline doprowa¬ dzajaca igaz moze stanowic pierscieniowa tarcza 31, na któreji obwodzie rozmieszczono rowki 32—38 stanowiace otwory doprowadzajace gaz. Rowki te 5 sa tak wykonane aby kat miedzy promieniem a strumieniem wyplywajacego gazu byl wiekszy od 0° i wynosil korzystnie 35—90°.Przekrój poprzeczny rowków powinien byc tak dobrany, aby uzyskac predkosc wlotowa co naj- 10 mniej 50* nx'£ Zaskakujacy jest' fakt, ze umieszczenie paru wlotów gazu w pewnym oddaleni/u od siebie wzdluz luku, zabezpiecza' luk przed zbyt wczesnym opad- 15 nieciem. Zaskakujace jest takze, to, ze mozina to wykorzystac do zapewnienia' wlasciwej1 drogi przebiegu luku, to jest przez przekladki, „przeska¬ kujac" nad szczelinami doprowadzajacymi gaz.Stwierdzono, ze straty ciepla na jednostke- dlu- 20 gosci zwdekszaja isie wraz ze wzrostem dlugosci przekladek, poniewaz zabezpieczajacy efekt powo¬ dowany przez wairstwe Chlodnego gazu zmnJiejsiza sie wraz ze wzrostem odleglosci od1 wlotu gazu.Spowodowane jest to zmniejlszeniem sie rotacji ga- 25 . zu i sizylbszym jego nagrzewaniem.Na fig. 3 przedstawiono zmodyfikowanie urza¬ dzenie wedlug wynalazku, przy czym te same elementy, sa oznaczone tak samo jak w nawia- zaniiU' do przyklajdu wykonania urzadzenia przed- 30 stawionego na flig. 1. W tym przykladzie wyko¬ nania' urzadzeoia stopniowanie srednicy w pierw¬ szej przekladce jest oznaczone numerem 41. W dalszej czesci urzadzenia moga wystepowac do¬ datkowe stopniowania srednicy. Przedstawiany 35 wzrost srednicy moze byc plynny i w omawia¬ nym wykonaniu ma on ksztalt stozka scietego, którego kat rozwarcia jest tak dobrany, aby za¬ pewnic niezaklócony przezpiyw gazu. Stosunek srednicy jprzed stopniowaniem do srednicy za stop- 40 niowaniem zawliera sie miedzy 0,5 a 1. 'Zwieksze¬ nie srednicy powoduje, ze stirumieó gazu prze¬ mieszcza sie wzdluz sjpirali i luk przechodzi takze przez chlodnJiejisze partie gazu, co zaznaczono nu¬ merem 42.' Na fig. 4 przedstawiono dalszy, trzeci przyklad wykonania urzadzenia wedlug wynalazku róznia¬ cy sie od wykonania przedstawionego na fig. 1 zastosowaniem elektromagnesów 51 lufb podobnych elementów wytwarzajacych pole magnetyczne 52 i oddzialujace na czesc luku. W rzeczywisto¬ sci, po zastosowaniu magnesów, pole 52 spo¬ woduje przemieszczenie luku na zewnatrz, na¬ tomiast wirujacy gaz spowoduje, ze luk bedzie __ przemieszczal sie wzdluz spirali 53. .85 Dla lepszego zroziumienlia istoty wynailazkiu po¬ nizej oplisano pare przeprowadzonych doswiadczen.Przyklad I. Przeprowadzono badania urza¬ dzenia wedlug wynalazku posiadajacego przeklad- 60 ke o dlugosci 200 mm. Chlódzeniie skladalo sie z czterech oddzielnych obiegów, z których kazdy chlodzil 50 mm elementu. Stwierdzono, ze wzrost temperatury w kazdym z czterech segmentów wy¬ nosil odpowiednio 3,0°, 3*9°, 4,12° i '5,3i°C. Jak 66 mozna zauwazyc wzrost temperatury jest znacz- 50139 664 ny, biorap pod uwage, ze iwodla przeplywa przez przekladke sECzeflima o szerokosci 0,1 imm.Z tego wzgledu predkosc przeplywu wody jest bardzo duza.Przyklad II. Przy tych saimych warunkach jak w przykladzie pierwszym, lecz przy 20°/o iwzro- sc"ie przeplywu gazu otrzymano nastepujacy wzrost temperatur: a,8°, 3,9°, 4;l° i 4,8°C.Z powyzsizego wynika, ze natezenie (przeplywu gazu ima. istotny wplyw na straty ciepla w prze¬ kladce i zwiekszajac o 2XP/q naitejzenie przeplywu gazu przez szczeMrty rozmiesizczoine wokól urza¬ dzenia mozna uzyskac H0°/o wzrost sprawnosci.Zgodnie zatem- z wynalazkiem, urzadzenie do elektrycznego ogrzewalnia gazu moze posiadac dlu¬ ga przekladke i miec luk o niezmiennej dlugosci.Mozliwosc te stwarza wytworzenie wzdluz calego urzadzenia izolacyijlnej warstwy gaizu1, która w du¬ zym Isitopniu zmniejsza straty cieplne w elektro¬ dach ii przekladkach.Modulowa konstrukcja przekladek/wyposazonych w sizyfokozlacza gazowe i wodne, umozliwia latwe przystosowania urzadzenia do róznych wymagan.Dla lepszej ilustracji ponizej zamieszczono infor¬ macje dotyczace Wflplywu dlugosci urzadzenia na spadek napieoia.r Spadek napiecia jest funkcja szeregu róznych czynników, jak np. sklad: gazu, ilosc gaizu. Jed¬ nakze dla wiekszosci zastosowan bedzie zawieral sie w przedziale H5^h25 Wam. Alby nie dopuscic do nadmiernie szylbkiego zuzycia elektrody nate¬ zenie pradu nie powinno przekroczyc 2O0iO A.Zadhowujjac powyzsze ograniczenia' przy mocy 5 MW i 110 MW uzyskano luk o dlugosci odpo¬ wiednio l1—ii,© m i 2,5M3 m. Zazwyczaj •elektrody magia, dlugosc 2010^-4)00 mm i*wlasciwy dobór dlu¬ gosci przekladki i ilosci modulów umozliiwtia do¬ godne stopniowanie mocy uradzenia. Dlugosc prze¬ kladki powinna sie zawierac w granicach KW)i—600 mm a zwlaszcza w przedziale 200-^400 mm.Przyklad III. W doswiadczemiiu zastosowano w tych samych warunkach dwa rózne generatory plazmy. Jeden z mich mial stopniowana srednice .w stosoinkiu D przed stopniem /D za stopniem = 0,79, ipodazas gidy drugi mial te sama srednice na calej dlugosci kanalu.W pierwszej serii badan natezenie przeplywu gazu wynosilo 1900 mVh, a natezenie pradu1 — 1700 A. yj generatorze ze stopniem uzyskano na¬ piecie 18120 V, a w genemaitorze bez stopnia — 1G30 V, W drugiej senii badan natezenie przeplywu ga¬ zu wynosilo 486- m*/h a natejzenie pradu — 15O01 A.Uzyskane napiecia- wynosza odipowiedndo: 11860 V i 1600V- a Przyklad IV. Przeprowadzono szereg doswiad¬ czen z generatorem pilazmy majacym dwie cewki gemirujlace pole magnetyczne przechodzace przez luk i i wykorzystane takze do nadania rotacji punktom zaczepienia luku. Zmiany napiecia dla róznych natezen prajdlu w cewce zobrafcowamo w tabeli.Natezenie przeplywu gazu wynosilo 905 m^h, a natiezenie pradu 1800 A. 10 15 25 30 35 40 45 50 65 60 66 I cewki magnetycz./A/ 0 . 0/00. 1200 1300 8 Tabela U generatora plazmy /kW ¦2A 2JLG 2,261 2,312 Wzrost sprawnosci /W — 0,4 1.0 1,4 Z przykladów iIIH i IV wynika, ze przy danej wydajnosci generator moze byc bardziej zwarty.Ma to istotne znaczenie przy zastosowaniach prze- ' myslowych. Oczywiisoie urzadzenie moze posiadac zarówno stopniowana srednice jak i cewkii wy¬ twarzajace pole magnetyczne. Moc zuzywana przez oewki magnetyczne istaniowi jedynie ulamek mocy zuzywanej przez cale urzadzenie i moze byc w 'ostatecznym rachunku- pominiejta. iNlaHezy zauwazyc, ze w odmianie z poprzecznym polem magnetycznym, wieksza jest zarówno spra^ wnosc jak i ental|pia gatau wyplywajacego z ge¬ neratora. Jest to zaskakujace, poniewaz w do¬ tychczas stosowanych metodach podwyzsizemlie en¬ talpii gazu wiazalo sde z akceiptacja riizsizej spraw¬ nosci.Izieki wynalazkowi mozliwe jest zatem kon^ struowanie generatorów plazmowych o bardzo wy¬ sokiej! wydajnosci pnzy zachowaniu ich aterowaH- nosci. IMozna takze uzyiskac jednolity rozklad tem¬ peratury, nadal zachowuijlajc chlodna warstwe ga^ zu przy sciankach urzadizenia. W konwencjonal¬ nych generatorach plazmy poczatkowo uzyskuje siie hardzo goracy luk i dosc gruba warstwe chlod¬ nego gazu przy sciankach, którai gwaltownie za¬ nika w wyniku wystepowania strat cieplnych i zaklócen przeplywu.Z konstrukcyjnego punktu widzenia, urzadzenie wedlug wynalazku jest proste, sklada sie z nie¬ wielki elementów i niewielu polaczen. Jesjt zatem nieizawodne; nawet w1 przypadku zastosowania pie¬ ciu przekladek riie wystepuja zaklócenia prze¬ plywu. PL PL PL PL