SE452841B - Enligt settet med icke overford bage arbetande plasmabrennare - Google Patents

Description

452 841 punkt inuti den bakre elektrodens borrning och bágen kommer snabbt att erodera genom väggen vid denna punkt. I den ovan nämnda ame- rikanska patentskríften 3 194 941 föreslås användning av växel- ström för matning av elektroden vilket påstås åstadkomma att båg- fästpunkten rör sig längs den bakre elektrodens längd och däri- genom sprider förslitningen. I den amerikanska patentskriften 3 194 941 föreslås även att en fältspole placeras kring den bak- re elektroden för att framkalla rotation av bágen, men dessa fö- reslagna förbättringar innebär ett relativt komplext och dyrbart elektriskt system.

Det är vidare känt att rotationen av den bakre elektro- dens bágfästpunkt kan uppnås aerodynamiskt vilket är mera effek- tivt genom att inget specialkonstruerat elektriskt energitill- förselsystem erfordras för detta ändamål. Det kända aerodynamis- ka systemet innefattar tangentiell insprutning av gas i den gas- införande kammaren för åstadkommande av ett virvlande flöde av gas i kammaren. En del av denna gas rör sig bakåt in i den bak- re elektroden och ger upphov till en väl definierad punkt inuti den bakre elektroden vid vilken trycket av den inträdande gasen är lika med backtrycket i elektroden. Vid denna punkt vänder den inträdande gasen och rör sig tillbaka ut under åstadkommande av en lågtryckszon där bágen fäster. Det finns även förslag till manuell variation av trycket och sålunda gasflödeshastigheten vid periodiska mellanrum så att den punkt vid vilken bágen fäs- ter kommer att röra sig axiellt inåt elektroden vid varje tryck- ändring. Sålunda har vid en del plasmabàgbrännare installerats en manuell tryckventil i gastillförselsystemet, varvid persona- len periodiskt för hand reglerar ventilen i och för ändring av bågfäststället. Denna procedur ger emellertid icke likformig ero- sion och resulterar i lokala förslitningspunkter.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är följaktligen att åstadkomma en plasmabâgbrännare av den typ vilken är anpas- sad för arbetssättet med icke överförd båge och vid vilken prob- lemet med snabb erosion och förstörelse av den främre elektroden är i huvudsak undanröjt.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en plasmabågbrännare av den ovan beskrivna typen vilken 452 841 kan arbeta antingen enligt sättet med överförd båge eller enligt sättet med icke överförd båge och vid vilken är sörjt för en effektiv och likformig spridning av förslitningen av den bakre elektroden för att därigenom åstadkomma en förlängning av den bakre elektrodens livslängd.

Dessa och andra syften och fördelar med föreliggande upp- finning uppnås vid den utföringsform som visas häri genom åstad- kommande av en plasmabågbrännare som innefattar ett brännarhus, en bakre elektrod som är monterad inuti huset och innefattar_en sluten inre ände och en öppen yttre ände och en främre elektrod som innefattar en rörformig kropp av metall som är monterad inu- ti huset belägen koaxiellt i linje med den bakre elektroden. Vi- dare är ett virvelgenereringsorgan anordnat för generering av ett virvlande flöde av gas vid ett ställe mellan den bakre och den främre elektroden. Ett energitillförselorgan är dessutom an- ordnat för generering av en båge som sträcker sig axiellt från den bakre elektroden och genom det virvlande flödet av gas. En- ligt en aspekt av föreliggande uppfinning har den främre elek- troden en borrning som omfattar en yttre änddel som är koppfor- mad i längdsnitt för avgränsande av en utåt vettande radiell yta, och energitillförselorganet är verksamt förbundet med den främre elektroden så att bàgen fäster vid en punkt belägen på den ra- diella ytan av den främre elektrodens borrning. Sålunda resulte- rar det faktum att bàgen fäster vid den radiella ytan i erosion av den främre elektrodens material i axiell riktning snarare än i radiell riktning genom elektroden. Eftersom den främre elektro- dens axiella längd är avsevärt mycket större än elektrodens ra- diella väggtjocklek kommer sålunda den främre elektrodens livs- längd att utsträckas avsevärt.

Enligt en annan aspekt av föreliggande uppfinning inne- fattar det vírvelgenererande organet ett programmerat styrorgan för variering av gastrycket uppåt och nedåt mellan i förväg bestämda gränser och i överensstämmelse med ett i förväg bestämt program. Denna variation i trycket är företrädesvis kontinuerlig vilket resulterar i att bàgens fästpunkt rör sig kontinuerligt och axiellt bakåt och framåt längs längden av den bakre elektro- dens borrning genom ändringen i trycket, under det att bàgen ro- 452 841 teras av det virvlande flödet av gas för att därigenom sprida den bakre elektrodens erosion och förlänga dess livslängd. Vid ar- betssättet med icke överförd båge tjänar det kontinuerligt va- rierande trycket och det virvlande flödet av gas även för att sprida bågfästpunkten på den radiella ytan av den koppformade främre elektroden för spridning av erosionen därav och för att ytterligare öka dess livslängd.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken _ fig 1 visar en sidovy av en plasmabågbrännare enligt förelig- gande uppfinning, fig 2 visar en förstorad snittvy av brännaren i fig 1, fig 3 visar en snittvy av den främre koppformade elektroden vid brännaren i fig 1, fig 4 visar en snittvy av den yttre hylsa som är förbunden med den främre elektroden vid brännaren i fig 1, fig 5 visar schematiskt den bakre och främre elektroden vid brännaren i fig 1 samt bågfästpunktens rörelse både på den bakre och främre elektroden, och fig 6 visar en förstorad ändvy av den främre elektroden i fig 5.

På ritningen visas en plasmabågbrännare 10 enligt före~ liggande uppfinning som är avpassad att arbeta enligt sättet med icke Överförd båge. Vid den visade utföringsformen innefattar brännaren ett yttre hus som omfattar en cylindrisk bakre husdel 12 av metall och en koaxiell förlängningsdel 13 av metall vid den främre änden av delen 12.

En bakre elektrod 14 är monterad inuti det yttre huset och innefattar en rörformig kropp av metall med en sluten inre ände 15 och en öppen yttre ände 16. Elektrodens inre ände 15 är medelst gängor monterad vid ena änden av en metallelektrodhållare 18. Hàllaren 18 tjänar förutom som ett organ för uppbärande av den bakre elektroden som ett organ för tillförsel av elektrisk ström från en yttre energikälla till den bakre elektroden såsom kommer att beskrivas närmare nedan. Hàllaren 18 tjänar även som en fluidrörledning för fluidkylsystemet och för detta ändamål innefattar den bakre änden av hållaren en rörformig borrning 19 som medelst gängor är kopplad till ett kopparrör 20. Röret 20 i sin tur är förbundet med ett yttre fluidtillförselsystem, t ex 452 841 det kommunala vattennätet. Borrningen i den bakre änden av hål- laren 18 innefattar även radiella öppningar 21 för passage av vatten och på det sätt som kommer att beskrivas närmare nedan.

Hållaren 18 är uppburen inuti en koaxiell bakre hylsa 24 medelst bultar 25 och den främre änddelen av den bakre hylsan 24 upptar ett rörformigt organ 26. Hylsan 24 och organet 26 är båda tillverkade av elektriskt isolerande material, t ex ett lämpligt fenolharts. Organet 26 innefattar ett antal genomgående radiella öppningar 27 och upptar en ringformig gasvirvelgenerator 28: Ge- neratorn 28 innefattar ett flertal tangentiellt riktade öppningar 29 genom sin vägg och är medelst gängor monterad vid den yttre änden av den bakre elektroden 14. Det rörformiga organet 26 inne- fattar dessutom ett flertal axíellt riktade gaskanaler 30 som kommunicerar med virvelgeneratorns öppningar 29 såsom kommer att beskrivas närmare nedan. Ett vattenledningsorgan 32 i form av ett tunnväggigt metallrör är anordnat mellan hållaren 18 och den bak- re hylsan 24 och sträcker sig framåt mellan den bakre elektroden 14 och den bakre hylsan 24 samtidigt som det avgränsar en trång ringformig vattenkanal 33 däremellan som utgör en del av fluid- kylsystemet såsom kommer att beskrivas närmare nedan. Den bakre änddelen av den bakre hylsan 24 är medelst gängor monterad vid en isolerande hylsa 36 som i sin tur är uppburen inuti bränna- rens bakre ändstycke 37. Den isolerande hylsan 36 uppbär även ett koaxiellt innergashölje 38 av metall som ligger tätt över den yttre ytan av den isolerande hylsan 36 och den bakre hylsan 24 och ändstycket 37 uppbär ett koaxiellt yttergashölje 40 som ligger över det inre höljet och på avstånd fràn detta för av- gränsande av en ringformig gaskanal 41 däremellan. Gaskanalen 41 kommunicerar med gasinloppsledningen 42 via de radiella öppnin- garna 43 i ändstycket 37. Den främre änden av kanalen 41 kommu- nicerar med de axiella kanalerna 30 i det rörformiga organet 26 och så att gas som tillförs från inloppsledningen 42 styrs till de tangentiella öppníngarna 29 i virvelgeneratorns 28 vägg.

Plasmabågbrännaren 10 innefattar dessutom en främre elek- trod 46 som innefattar en rörformig kropp av metall med en genom- gående borrning. Den främre elektroden 46 är monterad inuti hu- set och belägen koaxiellt i linje med den bakre elektroden 14, 452 841 varvid den inre änden av den främre elektroden är belägen invid och ett litet stycke från den öppna yttre änden 16 av den bakre elektroden 14. Borrningen i den främre elektroden 46 innefattar en inre cylindrisk änddel 48 och en yttre änddel 50 som är kopp- formad i längdsnitt för avgränsande av en utåt vettande radiell yta 51 och en cylindrisk del 52. Diametern D' hos den cylindris- ka delen 52 ligger företrädesvis mellan 1,5-4 gånger diametern D av den inre cylindriska änddelen 48 av elektrodens borrning, sålunda att den radiella ytan 51 har en bredd av avsevärda di- mensioner. Vid den visade utföringsformen utgörs den radiella ytan 51 av mantelytan av en stympad kon, varvid denna mantelyta lutar framåt en vinkel A av ca 10-120 fràn ett plan beläget vin- kelrätt mot axeln för elektrodens 46 borrning.

Den axiella längden L av den inre änddelen 48 är avse- värt längre än den axiella längden L' av den koppformade yttre änddelen 50. Även den radiella tjockleken av den främre elektro- dens vägg är större än den radiella dimensionen av den utåt vet- tande radiella ytan 51 över åtminstone större delen av den axiella längd av den främre elektroden som sträcker sig bakåt från den radiella ytan. Sålunda är en avsevärd materialmassa belägen bakom eller axíellt bakom den radiella ytan 51.

Den främre elektroden 46 är lösgörbart monterad vid en rörformig främre hylsa 55 medelst den gängade förbíndningen 56 och den främre hylsan 55 ligger koaxiellt över en avsevärd del av den främre elektrodens 46 längd, varvid den främre hylsan är be- lägen åtskild från den främre elektroden längs i huvudsak hela dess längd för avgränsande av en ringformig vattenkanal 57 däre- mellan. Den bakre änden av den främre hylsan 55 står i ingrepp med och uppbär änden av det rörformiga organet 26 och den bakre änden av hylsan är medelst gängor monterad vid den främre änden av det yttre gashöljet vid 58. Den främre hylsan 55 innefattar även ett flertal radiella kanaler 59 sålunda att kanalen 57 kom- municerar med utrymmet 60 mellan det rörformiga organet 26 och det yttre gashöljet 40. Dessutom står den främre änden av hylsan 55 i stödande ingrepp med den främre änden av elektroden 46 och ett flertal radiella öppningar 61 sträcker sig genom den främre änden av den främre hylsan för ändamål som anges nedan. Dessutom 452 841 u är ett ringformigt isolerande block 62 monterat i spalten mellan den bakre änden av den främre hylsan 55 och virvelgeneratorn 28.

Den främre förlängningsdelen 13 av det yttre huset lig- ger såsom synes över den främre hylsan 55 för avgränsande av en ringformig kanal 64 däremellan och den främre änden av förläng- ningsdelen 13 står i ingrepp med och uppbär den främre änden av den främre elektroden 46. Även den bakre delen 12 av huset är skild från det yttre gashöljet 40 för bildande av en fortsättning på kanalen 64 vilken kommunicerar med kylsystemfluidutloppsred- ningen 66 som är fäst vid det bakre ändstycket 37.

Av ovanstående beskrivning framgår att plasmabrännaren enligt föreliggande uppfinning omfattar en kylmedelsflödesbana som sträcker sig så att den står i serievärmeutbytesförhållande med den bakre elektroden 14 och därefter den främre elektroden 46. Sålunda kan ett kylmedel i form av en fluid cirkuleras genom kylflödesbanan för avlägsnande av värme från brännaren under dess arbete. Närmare bestämt omfattar kylmedelsbanan kopparröret 20 som tillför vattnet eller annat kylmedel till den bakre borrningen 19 i hållaren 18. Vattnet passerar därefter genom de radiella öppningarna 21 och in i den ringformiga kanalen 33 längs utsidan av den bakre elektroden. Därefter passerar vattnet genom öppningar- na 27 in i det rörformiga organet 26 till kanalen 60 och därefter genom kanalerna 59 i den främre hylsan 55 till den ringformiga kanalen 57 längs utsidan av den främre elektroden. Vattnet rör sig därefter genom öppningarna 61 vid den främre änden av hylsan 55 och därefter genom kanalen 64 bakåt till utloppsledningen 66.

En gas, t ex luft, kan tillföras till virvelgeneratorn 28 från gasinloppsledningen 42 och så att gasen kommer att pas- sera längs den ringformiga kanalen 41 mellan det inre och yttre höljet. Då gasen når det rörformiga organet 26 passerar den genom de axíella öppningarna 30 och till virvelgeneratorn 28. Gasen passerar därefter genom de tangentiella öppningarna 29 i virvel- generatorn för bildande av ett virvlande flöde av gas i utrymmet mellan den bakre och främre elektroden, vilket utrymme är belä- get koaxiellt i linje med de tvâ elektroderna. 9 Av ovanstående beskrivning framgår vidare att den främre elektroden 46 är lösgörbart förbunden med den rörformiga främre 452 841 hylsan 55 för möjliggörande av separation och ersättning av den främre elektroden utan ersättning av hylsan. Närmare bestämt kan den främre elektroden 46 avlägsnas genom att man griper tag i elektrodens borrning med en skruvnyckel för invändigt bruk och skruvar av elektroden från hylsan. En ny främre elektrod kan därefter installeras genom omkastning av denna procedur.

Såsom bäst framgår av fig 5 innefattar föreliggande upp- finning dessutom ett organ 70 för tillförsel av likström som är verksamt förbundet med den bakre och främre elektroden för alst- rande av en båge som är anpassad att sträcka sig axiellt frän den bakre elektroden 14 genom det virvlande flödet av gas och till en fästpunkt belägen på den radiella ytan 51 av den främre elek- troden 46. Sålunda kommer all erosion av den främre elektrodens material att ske axiellt snarare än radiellt genom elektroden och därigenom utsträcks den främre elektrodens livslängd. Såsom visas är den positiva sidan av energikällan för tillförsel av lik- ström förbunden med kopparröret 20 sålunda att strömmen kan fram- föras genom elektrodhållaren 18 och till den bakre elektroden 14. Den negativa eller jordade sidan av energikällan är förbun- den med ändstycket 37 som är elektriskt förbundet med den främre elektroden 46 via det yttre gashöljet 40 och den främre hylsan ss. i Såsom även schematiskt framgår av fig 5 innefattar vir- velgenereringsorganet en källa 72 för tryckgas och ett program- merat styrorgan 73 för kontinuerlig variation av gastrycket mel- lan i förväg bestämda gränser. Vid tillförsel av gasen till vir- velgeneratorn 28 kommer sålunda det virvlande flödet av gas att försätta fästpunkten p för bågen till den bakre elektrodens 14 borrning i rotation under samtidig förflyttning axiellt bakåt och framåt längs en avsevärd del av borrningens längd genom varia- tion av gastrycket. Såsom visas rör sig bågfäststället mellan punkten H, som representerar högtrycksstället, och punkten L, som representerar lågtrycksstället. Som ett resultat kommer erosionen att fördelas likformigt längs en avsevärd del av borrningen och utsträcker därigenom den bakre elektrodens livslängd. Vad beträf- far den främre elektroden tror man att hågen kommer att fästa vid lágtryckspunkten inuti den koppformade delen av borrningen,och fästpunkten kan upprättas på ytan 51 genom lämplig samordning 452 841 av gasflödeshastigheten (dvs trycket) och energinivân. Genom den kontinuerliga variationen i trycket kommer fästpunkten p pà den radiella ytan 51 att röra sig radiellt mellan punkterna H (hög- trycksstället) och L (lågtrycksstället) såsom framgår av fig 5, och genom gasens virvlande flödesmönster kommer fästpunkten att roteras runt borrningen. Sålunda samverkar det varierande tryc- ket och det virvlande flödesmönstret till att förflytta fäst- punkten p längs en spiralgàende bana pá ytan 51 såsom framgår av fig 6, varvid fästpunkten p rör sig i spiral inåt dà trycket_ ökar och i spiral utåt då trycket minskar. Genom detta arrange- mang förflyttas erosionen längs både borrningen i den bakre elektroden och den radiella ytan av den främre elektroden konti- nuerligt och fördelas den över en relativt stor ytarea, varigenom livslängden av varje elektrod effektivt förlängs.

Vad gäller den främre elektroden 46 är det helt klart att den erosion som förorsakas genom att bâgen fäster på elektro- den kan fortskrida i axiell led en avsevärd sträcka innan elektro- den förstörs beroende på elektrodens avsevärda materialmassa i riktning bakåt från den radiella ytan. Den enda effektiva be- gränsningen av förslitningsavståndet är det faktum att man för att hålla hågen fäst vid den radiella ytan 51 tror att förhållan- det mellan den axiella längden L av den inre borrningsdelen och diametern därav måste vara större än 4. Sålunda kan erosionen fortsätta tills det kritiska längd/diameterförhållandet uppnås, vid vilken punkt bàgen kommer att överföras till angränsande ar- betsstycke.

Vid ett specifikt icke-begränsande exempel konstruerades en brännare i enlighet med föreliggande uppfinning och med en effektkapacitet pá 150 kW. Borrningen i den bakre elektroden 14 hade en längd av 178 mm och en diameter av 23 mm. Borrningen 48 i den främre elektroden 46 hade en diameter D av 15 mm och en längd L av 170 mm och den koppformade delen 50 hade en diameter D' av 56 mm och en längd L' av 34 mm. Luften inleddes i virvel- generatorn 28 vid ett tryck som svängde mellan 138-345 kPa vil- ket resulterade i en svängande massflödeshastighet mellan 0,14- 1,12 m3/min. Tryckändringshastigheten var ca 28 kPa/s.

Claims (2)

1. 452 841 P a t e n t k r a v 1. bâgbrännare, vilken har lång livslängd och innefattar: ett brännarhus (20, 24), en bakre elektrod (14) som är monterad inuti huset och Enligt sättet med icke överförd båge arbetande plasma- består av en rörformig kropp av metall med en sluten inre ände och en öppen yttre ände, en främre elektrod (46) som består av en rörformig kropp av metall med en genomgående borrning, vilken främre elektrod är monterad inuti huset och koaxiellt i linje med den bakre elek- troden samt har en inre ände som är belägen invid den bakre elektrodens öppna yttre ände och en motsatt yttre ände, ett virvelgenereringsorgan (28) för generering av ett virvlande flöde av gas vid ett ställe mellan den bakre och främ- re elektroden och som är beläget koaxiellt i linje med den bakre och främre elektroden, och ett energitillförselorgan som är verksamt förbundet med den bakre och främre elektroden för generering av en båge som är avpassad att sträcka sig axiellt från den bakre elektroden genom det virvlande flödet av gas och till en fästpunkt som är belä- gen pâ den främre elektroden, k ä n n e t e c k n a d a v att 'den främre elektrodens (46) borrning innefattar en yttre änddel ( 50) som är koppformad i längdsnitt för avgränsande av en utåt vettande radiell yta (51), att energitillförselorganet innefattar likströmskälla (70) vars anod är ansluten till den bakre elektro- den och katod till den främre elektroden, och att brännaren dess- utom innefattar organ för samordnande av virvelgenereringsorga- net (28) och energitillförselorganet så att bågen fäster på den främre elektrodens (46) radiella yta, vilket resulterar i att den främre elektrodens material eroderas axiellt snarare än radiellt och följaktligen i att den främre elektrodens livslängd ökar.

2. a v Brännare enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d att virvelgenereringsorganet innefattar ett programmerat styrorgan för varierande av gasens tryck enligt ett i förväg bes- tämt program och för att sprida bágfästpunkten bàde inuti den bak- re elektroden och på den främre elektrodens radiella yta och därigenom sprida erosionen därav. En