PL170153B1 - Palnik plazmowy PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Palnik plazmowy z nieprzemieszczalnym lukiem, do- starczajacy energie, zwlaszcza dla reakcji chemicznych, który to palnik zawiera kilka elektrod rurowych umieszczonych wspól- osiowo wzgledem siebie z pierscieniowymi przestrzeniami po- miedzy nimi, przy czym elektrody sa wzajemnie elektrycznie odizolowane 1 maja zaciski zasilajace dolaczone do zródla pradu zm iennego albo stalego, oraz wyposazone sa w pierscieniowa cewke magnetyczna lub staly magnes, korzystnie poza obszarem dzialania luku, które to elektrody wykonane sa z materialu nie- m etalicznego o wysokiej temperaturze topnienia, przy czym gaz tworzacy w palniku plazme i/lub substrat reakcji doprowadzany jest do palnika przez elektrode centralna i pierscieniowe prze- strzenie miedzy elektrodami, znam ienny tym, ze elektrody sta- nowia zespól przynajmniej trzech elektrod (1, 2, 3) osadzonych wzgledem siebie ruchomo w kierunku osiowym, z których pier- wsza jest elektroda zewnetrzna (1), druga elektroda pomocnicza (2) i trzecia elektroda centralna (3), elektroda pomocnicza (2) jest elektroda zaplonowa 1 jest elektrycznie polaczona z jedna z dwu pozostalych elektrod (1 , 3), przy czym elektroda skrajna (3, I) zespolu elektrod (1, 2, 3) dolaczona jest do jednego bieguna zródla zasilania, a pozostale polaczone ze soba dwie elektrody (2 (i1) ( 2 1 3) dolaczone sa do drugiego bieguna zródla zasilania. ( 5 4 ) Palnik plazmowy PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest palnik plazmowy, przeznaczony zwłaszcza do dostarczania energii dla reakcji chemicznych.

Dla przeprowadzenia wymaganych reakcji chemicznych w gazach albo mieszaninach cząsteczek stałych, wymagane jest dostarczenie energii. Niektóre z tych reakcji chemicznych zachodzą w ekstremalnie wysokich temperaturach, rzędu 1000 do 3000 stopni C. Wymagana jest również możliwość sprawdzenia ilości i temperatury gazu dla zapewnienia kontroli i regulowania przebiegu reakcji chemicznej tego typu. Wymagania te mogą być spełnione przy zastosowaniu technologii podgrzewania gazu w łuku elektrycznym palnika plazmowego.

Dotychczas znany palnik plazmowy wyposażony jest w kilka elektrod rurowych, które umieszczone są współosiowo względem siebie z pierścieniowymi przestrzeniami pomiędzy nimi. Elektrody dołączone są do źródła energii elektrycznej i są wzajemnie elektrycznie odizolowane. Elektrody wyposażone są w pierścieniową cewkę magnetyczną, lub stały magnes. Wykonane są z materiału o wysokiej temperaturze topnienia. Gaz dostarczany jest przez elektrodę wewnętrzną i przez przestrzenie między elektrodami. Wysoko temperaturowa plazma uzyskiwana jest za pomocą gazu który jest podgrzewany przez łuk elektryczny, który powstaje między elektrodami.

Dotychczas znane palniki plazmowe używane były przede wszystkim do podgrzewania gazu dla celów spawalniczych i cięcia stali, do podgrzewania w procesach metalurgicznych i w

170 153 eksperymentach laboratoryjnych. Ponieważ często powodują one wysokie zużycie plazmy gazowej, zwłaszcza podczas przechodzenia gazu przez palnik, który rozprasza ciepło powstające w łuku, w niektórych zastosowaniach są one mniej korzystne z punktu widzenia oszczędności ciepła.

Palnik plazmowy według wynalazku, z nieprzemieszczalnym łukiem, dostarczający energię, zwłaszcza dla reakcji chemicznych zawiera kilka elektrod rurowych umieszczonych współosiowo względem siebie z pierścieniowymi przestrzeniami pomiędzy nimi. Elektrody są wzajemnie elektrycznie odizolowane i mają zaciski zasilające dołączone do źródła prądu zmiennego albo stałego oraz wyposażone są w pierścieniową cewkę magnetyczną lub stały magnes, korzystnie poza obszarem działania łuku. Elektrody wykonywane z materiału niemetalicznego o wysokiej temperaturze topnienia. Gaz tworzący w palniku plazmę i/albo substrat reakcji doprowadzany jest do palnika przez elektrodę centralną i pierścieniowe przestrzenie między elektrodami. Palnik plazmowy tego rodzaju charakteryzuje się tym, że elektrody stanowią zespół przynajmniej trzech elektrod osadzonych względem siebie ruchomo w kierunku osiowym, z których pierwsza jest elektrodą zewnętrzną, drugą elektrodą pomocniczą i trzecią elektrodą centralną. Elektroda pomocnicza jest elektrodą zapłonową i jest elektrycznie połączona z jedną z dwu pozostałych elektrod. Elektroda skrajna zespołu elektrod dołączona jest do jednego bieguna źródła zasilania, a pozostałe połączone ze sobą dwie elektrody, dołączone są do drugiego bieguna źródła zasilania.

Elektroda pomocnicza jest wyposażona w układ sterowania do regulacji odległości osiowego końca tej elektrody pomocniczej od strefy plazmy, z ograniczeniem prądu płynącego przez tę elektrodę pomocniczą, do prądu minimalnego.

Odległość wzdłuż promienia między elektrodą pomocniczą połączoną z jednym biegunem źródła zasilania, a jedną z dwóch pozostałych elektrod, połączoną z drugim biegunem źródła zasilania jest określona, przy czym po podłączeniu napięcia roboczego następuje przeskok iskry elektrycznej między tymi elektrodami.

Palnik plazmowy według wynalazku ma dobrą wydajność cieplną, długi czas pracy elektrod i funkcjonalny kształt tych elektrod, dostosowany do wymagań przemysłowych.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej objaśnione w przykładzie wykonania na rysunku, który schematycznie przedstawia palnik plazmowy, w pionowym przekroju.

Palnik plazmowy przedstawiony na rysunku składa się z elektrody zewnętrznej 1, elektrody pomocniczej 2 i elektrody centralnej 3. Elektrody są typu rurowego i umieszczone są współosiowo, jedna wewnątrz drugiej. Elektrody są umieszczone przesuwnie osiowo względem siebie. Urządzenie do osiowego pozycjonowania elektrod, korzystnie cylindryczne albo pneumatyczne, nie zostały na rysunku przedstawione.

Elektrody są pełne i mogą być topliwe, czyli mogą być zasilane w sposób ciągły, mimo erozji i zużycia. Zatem, nie wymagają one chłodzenia wewnętrznego za pomocą chłodziwa, co daje poważne uproszczenie palnika plazmowego. Do budowy elektrod wykorzystuje się dowolne nie-metaliczne materiały elektrycznie przewodzące, szczególnie materiały o wysokiej temperaturze topnienia, korzystnie wolfram, karborund albo grafit. Wyrób materiałów zależy również od ich odporności na wpływ otoczenia, w którym zastosowano palnik.

Palnik plazmowy jest zamknięty na jednym końcu za pomocą pierścieniowych krążków izolujących 5, 6 i 7, które stanowią również uszczelnienia. Gaz tworzący plazmę i/albo substrat reakcji dostarczane są do elektrody centralnej 3 i do pierścieniowych przestrzeni między elektrodami. Rury doprowadzające gaz do palnika plazmowego poprzez krążki izolujące 5, 6 i 7, nie zostały przedstawione na rysunku. Palnik plazmowy umożliwia dostarczenie substratu reakcji przez elektrodę centralną 3 w oddzielnej rurze doprowadzającej 4. Odpowiednie rury doprowadzające są znane.

Ponieważ elektrody są topliwe, to elektroda centralna 3 jest ruchoma podczas pracy i przesuwna osiowo, co umożliwia dostosowanie jej końcowego położenia do wymaganego położenia. Elektrody zasilane są energią elektryczną z układu zasilania, którego nie przedstawiono na rysunku. Energia jest dostarczana do elektrod za pomocą kabli 8, 9 i 10. Kabel 10 elektrody zewnętrznej 1 i kabel 9 elektrody pomocniczej 2, są połączone na zewnątrz

170 153 palnika za pomocą zwory albo płytki złączowej 11. Połączenie to wykonane jest przed połączeniem z którymkolwiek z przykładów pomiarowych mierzących prąd elektrod. Elektroda zewnętrzna 1 i elektroda pomocnicza 2 mają zatem ten sam potencjał i są połączone z dodatnim napięciem jako anoda. Elektroda centralna 3 jest połączona z napięciem ujemnym jako katoda.

Pierścieniowa cewka magnetyczna 12 albo pierścieniowy magnes trwały umieszczone są wokół elektrod 1, 2 i 3, na zewnątrz obszaru powstawania łuku. Cewka magnetyczna 12 albo magnes trwały, ustala osiowe pole magnetyczne w tym obszarze palnika.

Elektroda pomocnicza 2 i elektroda centralna 3 mają takie wymiary, że odległość promieniowa między nimi jest niewielka. Po podaniu napięcia, iskra elektryczna przeskakuje między elektrodami i powstaje łuk elektryczny. Napięcie robocze i odległość między elektrodami są tak dobrane, że zawsze dochodzi do przeskoku iskry. Dzięki temu uzyskuje się niezawodny zapłon palnika plazmowego.

Siły magnetyczne przesuwają łuk na koniec elektrod, a po zapaleniu łuku posiada on zdolność osiągania większej długości przy tym samym napięciu między elektrodami. Dolny punkt przesuwa się poza elektrodę pomocniczą 2 w kierunku promieniowym i w kierunku elektrody zewnętrznej 1, która ma ten sam potencjał. Po zapaleniu łuku przesuwa się on między elektrodą centralną 3 i elektrodą zewnętrzną 1.

Elektroda pomocnicza 2 może przesuwać się w kierunku osiowym. Podczas pracy palnika jest ona wycofywana ze strefy plazmy. Elektroda pomocnicza 2 jest wówczas stopniowo wycofywana dalej, dla ochrony przed dalszym tworzeniem dolnego punktu łuku, który stara się przemieszczać z elektrody zewnętrznej 1 do elektrody centralnej 3. Optymalne położenie elektrody pomocniczej 2 zostaje ustalone przez urządzenie sterujące, które mierzy, na przykład, prąd przez nią płynący. Optymalne położenie jest osiągane wówczas, gdy wartość prądu średniego w elektrodzie pomocniczej 2 osiąga minimum.

Łuk w palniku plazmowym według wynalazku jest wypychany na koniec elektrod. Przyczyną tego są odrębne siły elektromagnetyczne w łuku i gaz wychodzi na zewnątrz do obszaru między elektrodami i wypycha łuk na zewnątrz. Łuk może osiągnąć taką długość, że zostanie przerywany i zgaszony. Po wygaszeniu łuku między elektrodą zewnętrzną 1 i elektrodą centralną 3, zostanie on natychmiast ponownie zapalony między elektrodą pomocniczą 2 i elektrodą centralną 3. Wartość natężenia pola między tymi elektrodami jest wystarczająca dla umożliwienia emisji elektronów z powierzchni katody, która ma wysoką temperaturę i przez to dla chwilowego zapłonu łuku.

W ten sposób nie dochodzi do przerwy w zasilaniu, ponieważ prąd główny przesunie się z elektrody zewnętrznej 1 do elektrody pomocniczej 2. Dolny punkt łuku przenosi się wówczas z elektrody pomocniczej 2 na elektrodę zewnętrzną 1. Elektrody mają takie temperatury, że emitują elektrony do obszaru wokół nich, a łuk między elektrodą zewnętrzną 1 i elektrodą centralną 3 jest odtwarzany zaledwie kilka milisekund po jego zgaszeniu.

W badaniach stwierdzono, że łuk jest stale gaszony i zapalany, jak to opisano. Elektroda pomocnicza 2, która stanowi elektrodę zapłonową, jest zatem absolutnie niezbędna dla pracy ciągłej palnika według wynalazku.

Jako gaz do wytwarzania plazmy stosuje się gaz obojętny, zwłaszcza azot albo argon. Gaz taki zazwyczaj nie bierze udziału ani wpływa na przebieg reakcji chemicznej zachodzącej w palniku. Gaz tworzący plazmę może być również tego samego rodzaju co gaz otrzymywanyjako produkt reakcji w palniku plazmowym. Substratem reakcji jest czysty gaz, albo gaz zmieszany z ciekłymi albo stałymi cząsteczkami, których obecność jest wymagana dla zajścia reakcji w płomieniu plazmy, na przykład reakcji rozkładu termicznego. Sam substrat reakcji może być również gazem tworzącym plazmę. Jako materiał elektrodowy korzystnie stosuje się grafit, który ma wysoką temperaturę topnienia i wymaga niewielkiego chłodzenia. Daje to znaczne uproszczenie budowy palnika plazmowego i jest istotne dla poprawienia wydajności energetycznej palnika. Wzajemne przesuwanie elektrod względem siebie umożliwia zmianę średniej długości łuku, a zatem i napięcia roboczego, które z kolei ma wpływ na ciepło wyjściowe. Ponadto można zmieniać kształt łuku. Jeśli elektroda

170 153 zewnętrzna ustawiona jest tak, że wystaje na zewnątrz elektrody centralnej 3, obszar z plazmą przyjmuje kształt lejka i przenosi dużą ilość ciepła do substratu reakcji, który jest dostarczany do środka obszaru z plazmą. Jeśli elektroda centralna 3 ustawiona jest tak, że wystaje na zewnątrz elektrody zewnętrznej 1, obszar z plazmą przyjmuje wskazany kształt i przenosi większą część ciepła do otaczającej komory, a pośrednio do dostarczanego substratu reakcji. W ten sposób, osiowe położenie elektrod jest dostosowane zależnie od właściwości podgrzewanej substancji.

Elektrody palnika połączone są ze źródłem zasilania przez przewody, chłodzone w zależności od potrzeb. Palnik plazmowy jest zasilany prądem zmiennym, albo korzystniej prądem stałym. Elektrody palnika plazmowego są połączone ze sobą na dwa różne sposoby. Elektroda pomocnicza 2 jest połączona albo z elektrodą centralną 3, albo z elektrodą zewnętrzną 1. Przy zasilaniu prądem stałym można stosować cztery różne rodzaje połączeń. Jednym z możliwych połączeń jest połączenie elektrody pomocniczej 2 w taki sposób, aby dwie połączone elektrody miały ten sam potencjał. Korzystnie jest połączyć je z napięciem dodatnim, jako anodę. Elektroda centralna 3 połączona jest wówczas z napięciem ujemnym i jest katodą.

Przy takim połączeniu można zmienić polaryzację, łącząc elektrodę centralną 3 z napięciem dodatnim jako anodę, a dwie połączone elektrody z napięciem ujemnym, jako katodę. Innym możliwym połączeniem jest połączenie elektrody pomocniczej 2 z elektrodą centralną 3 tak, że obie mają ten sam potencjał.

Są one wówczas korzystnie połączone z napięciem dodatnim jako anoda, a elektroda zewnętrzna 1 jest połączona z napięciem ujemnym jako katoda. Ponadto, przy takim połączeniu, polaryzację elektrod można zmieniać, łącząc dwie połączone elektrody z napięciem ujemnym jako katodę i elektrodę zewnętrzną 1 z napięciem dodatnim, jako anodę.

W przypadku pierwszego połączenia, jak opisano, elektroda zewnętrzna 1 i jej uchwyt razem z elektrodą pomocniczą 2 mają potencjał masy. Zatem, nie istnieje niebezpieczeństwo zetknięcia się ze sobą obu wspomnianych elektrod. Elektroda centralna 3 i jej uchwyt mają określone napięcie względem masy i są elektrycznie odizolowane od sprzętu stosowanego do pozycjonowania osiowego.

Wyposażenie palnika w elektrodę zewnętrzną 1 i wewnętrzną elektrodę pomocniczą 2, przy podłączeniu obu tych elektrod do tego samego napięcia, zapewnia uzyskanie niezawodnego zapłonu łuku i stabilnego ponownego zapłonu palnika plazmowego.

Elektroda pomocnicza 2 ma znaczenie ze względu na wytrzymałość przy zapalaniu palnika z zimnym gazem plazmowym i dla osiągnięcia stabilnego działania przy niskiej temperaturze elektrod. Badania wykazały również, że palnik wyposażony w elektrodę pomocniczą 2, zapewnia stabilne działanie przy niższych temperaturach elektrod, niż w przypadku palnika bez elektrody pomocniczej, dla tego samego gazu plazmowego.

Elektroda pomocnicza 2 zapewnia niezawodny zapłon palnika przy podaniu napięcia roboczego do elektrod. Elektroda pomocnicza 2 umieszczona jest tak blisko elektrody centralnej 3, że iskra elektryczna przeskakuje zawsze między nimi po podaniu napięcia i powstaje chwilowy łuk. Zatem elektroda pomocnicza 2 stanowi elektrodę zapłonową. Odległość jaka wybierana jest między elektrodami określona jest przede wszystkim przez napięcie robocze, ale zależy również od innych czynników, zwłaszcza rodzaju gazu użytego do wytworzenia plazmy.

Siły magnetyczne przesuwają łuk do końca elektrod i na zewnątrz, w przestrzeń za końcem elektrod, a po zapaleniu łuku posiada on zdolność osiągania większej długości przy tym samym napięciu między elektrodami. Stąd, jego dolny punkt na elektrodzie pomocniczej 2 będzie się przenosić na zewnątrz, a następnie przeskoczy na elektrodę zewnętrzną 1, która ma ten sam potencjał. Ponieważ zjawisko to trwa bardzo krótki okres czasu, na elektrodzie pomocniczej 2 pojawia się tylko nieznaczna erozja w porównaniu z erozją na elektrodach zewnętrznej 1 i centralnej 3, gdzie łuk posiada swój dolny punkt przez większość czasu.

170 153

Elektroda pomocnicza 2 przesuwna w kierunku osiowym względem elektrody zewnętrznej 1, jest korzystnie podczas pracy wysuwana, ale tylko tyle, żeby umożliwić to, że powierzchnia elektrody centralnej 3 bezpośrednio nad końcem elektrody pomocniczej 2 ma wystarczająco wysoką temperaturę, dla ułatwienia emisji elektronów, zapewniając w ten sposób ponowny zapłon. Elektroda pomocnicza 2 wysuwana jest wystarczająco daleko aby zapobiec ciągłemu powstawaniu na niej dolnego punktu łuku.

Elektroda zewnętrzna 1 i elektroda pomocnicza 2 mają to samo napięcie. Połączenie może być wykonane wewnątrz albo na zewnątrz palnika, izolacja elektryczna nie jest normalnie stosowana między tymi dwiema elektrodami.

Korzystnie stosuje się układ sterowania dla dostosowania położenia osiowego elektrody pomocniczej 2, minimalizując w ten sposób natężenie średniego prądu płynącego przez nią. W ten sposób znacznie redukuje się zużycie elektrody pomocniczej 2. Elektrody zewnętrzna 1 i pomocnicza 2, są następnie odizolowane od siebie. Prądy w tych elektrodach są mierzone niezależnie, a ich wartości podawane do urządzenia sterującego.

Stwierdzono, że łuk w palniku plazmowym według wynalazku wypychany jest na zewnątrz, w kierunku końców elektrod i do przestrzeni na zewnątrz ich końców. Dzieje się tak za sprawą sił elektromagnetycznych powstających w łuku oraz dlatego, że dostarczany gaz wypycha go na zewnątrz. Łuk może być nawet tak długi, że ulegnie przerwaniu a następnie wygaszeniu. Po wygaszeniu łuku między elektrodą zewnętrzną 1 i elektrodą centralną 3, jest on natychmiast zapalany ponownie, między elektrodą pomocniczą 2 a elektrodą centralną 3. Przy normalnej pracy zauważono, że łuk jest stale gaszony i musi być ponownie zapalany. Elektroda pomocnicza 2 jest szczególnie istotna dla ciągłej pracy palnika plazmowego według wynalazku.

Palnik plazmowy wyposażony jest w pierścieniową cewkę magnetyczną 12 albo w pierścieniowy magnes trwały, któryj est umieszczony na zewnątrz elektrod albo wokół końca elektrod, w obszarze gdzie powstaje łuk albo w pobliżu tego obszaru. Cewka magnetyczna albo magnes trwały tworzą osiowe pole magnetyczne w tym obszarze palnika, zmuszając w ten sposób łuk do obracania się wokół centralnej osi palnika. Jest to ważne dla stabilności pracy palnika.

Wzdłuż centralnej osi palnika umieszczonyjest korzystnie jeden albo kilka elementów z materiału ferromagnetycznego. Element taki koncentruje pole magnetyczne w obszarze pracy łuku i w razie potrzeby przewodzi pole magnetyczne z obszaru z silniejszym osiowym polem magnetycznym do strefy łuku.

Ponadto, pole magnetyczne powstrzymuje łuk przed przemieszczaniem się od określonego punktu na elektrodzie wewnętrznej do określonego punktu na elektrodzie zewnętrznej, a co za tym idzie, zapobiega powstawaniu wgłębień i uszkodzeń na powierzchniach elektrod. Pod wpływem pola magnetycznego łuk wiruje wzdłuż obrzeży elektrod, powodując w ten sposób równomierny rozkład erozji na powierzchni elektrody i znacznie redukując zużycie elektrod. W konsekwencji można zwiększyć moc dostarczaną do elektrod.

170 153

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Palnik plazmowy z nieprzemieszczalnym łukiem, dostarczający energię, zwłaszcza dla reakcji chemicznych, który to palnik zawiera kilka elektrod rurowych umieszczonych współosiowo względem siebie z pierścieniowymi przestrzeniami pomiędzy nimi, przy czym elektrody są wzajemnie elektrycznie odizolowane i mają zaciski zasilające dołączone do źródła prądu zmiennego albo stałego, oraz wyposażone są w pierścieniową cewkę magnetyczną lub stały magnes, korzystnie poza obszarem działania łuku, które to elektrody wykonane są z materiału niemetalicznego o wysokiej temperaturze topnienia, przy czym gaz tworzący w palniku plazmę i/lub substrat reakcji doprowadzany jest do palnika przez elektrodę centralną i pierścieniowe przestrzenie między elektrodami, znamienny tym, że elektrody stanowią zespół przynajmniej trzech elektrod (1, 2, 3) osadzonych względem siebie ruchomo w kierunku osiowym, z których pierwsza jest elektrodą zewnętrzną (1), drugą elektrodą pomocniczą (2) i trzecią elektrodą centralną (3), elektroda pomocnicza (2) jest elektrodą zapłonową i jest elektrycznie połączona z jedną z dwu pozostałych elektrod (1,3), przy czym elektroda skrajna (3,1) zespołu elektrod (12,3) dołączona jest do jednego bieguna źródła zasilania, a pozostałe połączone ze sobą dwie elektrody (2 i 1) (2 i 3) dołączone są do drugiego bieguna źródła zasilania.
2. 2. Palnik według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda pomocnicza (2) jest wyposażona w układ sterowania do regulacji odległości osiowego końca tej elektrody pomocniczej (2) od strefy plazmy, z ograniczeniem prądu płynącego przez tę elektrodę pomocniczą (2) do prądu minimalnego.
3. 3. Palnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że odległość wzdłuż promienia między elektrodą pomocniczą (2) połączoną z jednym biegunem źródła zasilania, a jedną z dwóch pozostałych elektrod (1, 3) połączoną z drugim biegunem źródła zasilania jest określona, przy czym po podłączeniu napięcia roboczego następuje przeskok iskry elektrycznej między tymi elektrodami.