SE452942B - Anordning for elektrisk uppvermning av gaser - Google Patents

Description

452 942 10 15 20 30 genom att variera gasmängd och dels genom variation av gasens entalpi under bibehållande av gasvolymen och vid kontrollerad syrepotential. Under vissa omständig- heter är det nödvändigt att noggrant kunna styra gas- mängden, t ex när gasen innehåller en eller flera reak- tanter i en kemisk reaktion.

För att tillmötesgå alla dessa olika behov har en mång- fald anordningar utvecklats och därvid har det visat sig, att utnyttjande av en elektrisk ljusbâge för gene- rering av plasma är en mycket användbar teknik.

Således är genom US patent 3 301 995 förut känd en plasma- generator med två vattenkylda, axiellt från varandra åt- skilda cylindriska elektroder, den ena med sluten ände och den andra öppen i båda ändar, ett munstycke anord- nat vid den öppna elektroden, en vattenkyld kammare med en diameter väsentligt överstigande elektrodernas och den mellan elektroderna liggande spaltens diameter, an- ordningar i kammarväggen för injektion av gas i kammaren samt ett rör med ett munstycke för inriktning av den gasström, som skall upphettas in i kammaren. Vidare kan magnetspolar vara anordnade runt elektroderna för att åstadkomma rotation av ljusbågens fotpunkter.

Vidare hänför sig US patent 3 705 975 till en självsta- biliserande växelströms plasmagenerator med en spalt mellan två axiellt åtskilda elektroder, som är tillräck- ligt smal för återtändning av ljusbågen varje halvperiod.

Vid denna plasmagenerator blåses ljusbågen in i elekt- rodkammaren för att där samverka med den gas, som skall upphettas. En isolatorskiva är anordnad mellan elektroder- na och i denna skiva är anordnade kanaler, som är så ut- 10 15 20 25 452 942 formade, att gasen dels bibringas hög vinkelhastighet och dels en axiell hastighetskomponent, som blåser ljusbågen in i reaktionskammaren.

US patent 3 360 988 avser en plasmageneratorkonstruktion med segmenterad, begränsad passage mellan anod och katod. Ljusbâgskammaren har karaktären av ett överljuds- munstycke, som gör att anordningen lämpar sig för upp- hettning av en vindtunnel, en ljusbågskatod uppströms munstycket, en anod nedströms munstycket uppbyggd av elektriskt ledande, från varandra elektriskt isolerade segment till bildning av en cirkelformig konfiguration, varvid munstycket bildar en lângsträckt Smal passage med enhetlig diameter genom vilken ljusbågen måste passera.

De ovan uppräknade plasmageneratorkonstruktionerna har dock vissa begränsningar och nackdelar.

Utnyttjandet av två elektroder åtskilda av ett gastill- lopp medför att båglängden och därmed spänningen be- stäms av gasflödet. Vid konstant ström måste för ökning av spänningen och därmed effekten gasflödet ökas, var- igenom den utgående gasens entalpi minskar.

Vid ett normalt använt övertryck, dvs 1-10 bar, blir spänningen alltid relativt låg, i storleksordningen 1000 volt. Det enda sättet att öka effekten är härvid att öka strömstyrkan, vilket dock le der till förkortad elektrodlivslängd.

Vid s k segmenterade kanaler, dvs där isolatorskivor är anordnade omväxlande med elektrodskivor, begränsas den 10 15 20 25 452 942 möjliga spänningen och därmed effekten p g a att ström- ningen hos det kalla gasskiktet invid väggen störs och ljusbâgen därigenom kommer att slå ned i förtid. Vidare finns också risk för att ljusbâgen istället för att passera centralti kanalen väljer att hoppa över de re- lativt sett tunna isolatorskivorna mellan elektrodski- vorna. I Hittills kända plasmageneratorer är främst avsedda för laboratoriebruk och är mindre lämpade för industriell användning p g a sin komplicerade uppbyggnad, och i syn- nerhet gäller detta för de segmenterade typerna, som exempelvis kräver ett stort antal anslutningar för kyl- vatten, gastillförsel etc. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma en plasmagenerator, som medger högt effektuttag, har lång elektrodlivslängd, hög verkningsgrad och som uppvisar en enkel och driftssäker konstruktion, som lämpar sig för industriell användning.

Detta uppnås medelst den inledningsvis beskrivna plasma- generatorn enligt föreliggande uppfinning, vilken kän- netecknas av åtminstone ett mellan elektroderna anord- nat cylindriskt mellanstycke med en längd av 100 - 500 mm.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen dels två ändmoduler innefattande respek- tive ändelektrod med tillhörande anslutningar för el, gas samt kylvatten och dels mellanmoduler innefattande ett mellanstycke med tillhörande anslutningar för kylvatten respektive gas, företrädesvis utformade som snabbkopp- 10 15 20 25 452 942 lingar, och med organ för anslutning av flera moduler till varandra och till respektive ändmodul. Härigenom kan anordningens driftkarakteristik enkelt och bekvämt anpassas efter behov genom avlägsnande eller adderande av ett eller flera mellanstycken.

Genom att utforma gastillförselspalten eller -spalterna så att gasen bibringas en roterande rörelse under pas- sagen stabiliseras ljusbågen. Det roterande gasflödet i kombination med kalla väggar ger en centrerad stabil ljusbåge med liten omblandning och därmed hög tempera- tur. Detta innebär vissa nackdelar i form av lågt spän- ningsfall och höga strâlningsförluster, Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är anordningen utformad med en stegvis ökande diameter sett i gasströmmens huvudriktning. Åtminstone ett dia- metersteg är härvid anordnat och förhållandet mellan diametern före respektive efter steget skall därvid ligga mellan ca 0,5 och l, och företrädesvis mellan ca 0,7 och 0,9.

Diametersteget gör att gasens rotationscentrum kommer att följa en spiralformig bana, varvid omgivande gas blandas in i ljusbågen, som härigenom blir kallare, vil- ket vid konstant ström och gasflöde leder till ökad spän- ning över ljusbågen med i huvudsak bibehållen verknings- grad. Medtfibehållen effekt kan sålunda anordningen göras mer kompakt.

Enligt en alternativ utföringsform är anordnad en elekt- romagnet eller motsvarande på en plats utefter ljusbågens väg för alstrande av ett vinkelrätt mot ljusbågen verk- 10 15 20 25 452 942 ande magnetfält. Härigenom kommer ljusbågen att för- flyttas från passagens geometriska centrumlinje över åtminstone ett kort stycke, vilket ger en effekt lik- nande den som erhålles vid anonüwnde av ett diameter- steg.

Båda dessa utföringsformer kräver att långa segment enligt uppfinningen utnyttjas för erhållande av en stör- ningsfri strömning och för att därigenom kunna höja ljus- bågsspänningen med bibehållen hög verkningsgrad.

Ytterligare fördelar och kännetecken hos uppfinningen kommer att framgå närmare av nedanstående detaljerade beskrivning i anslutning till bifogade ritningar, på vilka fig 1 schematiskt visar en utföringsform av anord- ningen enligt uppfinningen, fig 2 schematiskt visar ett tvärsnitt genom en gastill- förselspalt, taget längs linjen II-II i utförings- formen enligt fig 1, fig 3 schematiskt visar en andra utföringsform av upp- finningen med ett diametersteg, och fig 4 schematiskt visar en tredje utföringsform av upp- finningen med en magnetspole för generering av ett tvärställt magnetfält.

I fig l visas således schematiskt en utföringsform av en anordning enligt uppfinningen för elektrisk uppvärm- ning av gaser. Anordningen, som betecknas med l, inne- 10 15 20 25 30 452 942 fattar två cylindriska elektroder 2 och 3, varav den första uppvisar en tillsluten fri ände 4 och den andra uppvisar en öppen fri ände 5, samt mellan de båda elekt- roderna anordnade mellanstycken 6 och 7. I det visade utförandet uppgår antalet mellanstycken till två, men såväl antal som längd hos mellanstyckena kan varieras, jämför nedan.

Gastillförselspalter 8, 9 och 10 är anordnade mellan varje elektrod och angränsande mellanstycke liksom mel- lan mellanstyckena. Vidare är i det visade utförandet en gastillförselspalt ll anordnad invid den första elektrodens tillslutna ände.

Såväl elektroder som mellanstycken är vattenkylda, vil- ket antytts med inlopps- och utloppsstudsar 12, 13; 14, 15; 16, 17 och 18, som mellanstycken är företrädesvis framställda av kop- 19 för vatten. Såväl elektroder par eller kopparlegering.

Elektroderna är anslutna till en ej närmare visad ström- källa för generering av en elektrisk ljusbåge 20 mellan de båda elektroderna. Varje elektrod omges av en magnetisk fältspole eller permanentmagnet 21 respektive 22 för alstrande av ett magnetfält, varmed läget för ljusbâgens fotpunkter 23 respektive 24 bringas att rotera.

Huvuddelen av gasen, som skall upphettas, införes mellan den uppströms belägna elektroden 2 och det angränsande mellanstycket 6. Genom att anordna detta gasinlopp så att den införda gasströmmen erhåller en initial hastig- hetskomponent mot huvudströmningsriktningen kan läget för ljusbâgens fotpunkter förskjutas longitudinellt genom "blåsning". En del av denna huvudgasström kan av- 452 942 10 15 20 25 30 delas och ledas in genom den invid nämnda elektrod tillslutna ände anordnade gastillförselspalten 11, som företrädesvis är så utformad att gasströmmen strömmar in väsentligen i huvudströmningsriktningen. Genom att dessutom anordna en fluidistor 25 eller annan flödes- styrande anordning i anslutning till nämnda båda gasinlopp 8, 11 kan växelvis ledas en större eller mindre gasmängd genom det invid den tillslutna änden 4 befint- liga gasinloppet 11, varigenom erhålles en ytterligare reduktion av elektrodslitaget genom att ljusbågens fotpunkter kan förskjutas fram och tillbaka. Denna “blåsningseffekt" kan också utnyttjas för att variera ljusbâgslängden och därigenom åstadkomma en viss varia- tion av effekten i ljusbâgen.

Den genom gastillförselspalterna 8, 9, 10 mellan mellan- styckena och det mellan det nedströms belägna mellan- stycket och den öppna elektroden inströmmande gasen har till uppgift att förhindra, att ljusbågen “slår ner" för tidigt. Den instrünmmde gasen bibringas härvid en tangentiell hastighetskomponent och företrädesvis även en axiell hastighetskomponent. Spaltbredden skall före- trädesvis uppgå till 0,5 - 5 mm. Härigenom erhålles ett roterande, kallare gasskikt invid elektrodernas och mel- lanstyckenas innerväggar, vilket kallare skikt omger ljusbâgen, som löper väsentligen centralt i det cylind- riska utrymmet. För att upprätthålla detta kallare gas- skikt blåses alltså gas in genom gasinloppen utefter ljusbågens väg.

När gasströmmen närmar sig utloppet för den nedströms belägna elektroden träffar ljusbågen elektrodväggen i sin andra fotpunkt. Medeltemperaturen i den utströmmande gasen kan variera inom intervallet 2 000 - 10 OOOOC, 10 15 20 25 452 942 beroende på ljusbågseffekt och genomströmmande gas- mängd per tidsenhet.

Såsom visas i fig 2 kan en gastillförselspalt åstadkom- mas medelst en ringformig skiva 31 med spår 32 - 38 fördelade över omkretsen till bildning av ett antal gastillförselöppningar. Spåren skall vara så anord- nade, att gasens utströmningsvinkel Qfi förhållande till radien är större än Oo, och företrädesvis uppgår till 35 - 9o°.

Spârens tvärsnittsarea skall vara så avpassad, att in- strömningshastigheten uppgår till åtminstone 50 m/s.

Det är överraskande, att man genom att anordna ett få- tal gasinlopp på relativt stora inbördes avstånd utefter ljusbågens väg kan förhindra att ljusbågen slår ner i förtid. Det är också överraskande, att man härigenom kan förhindra att ljusbågen väljer en annan väg, d v s genom mellanstyckena och endast "hoppar" över gastill- förselspalterna.

Experimentellt har visats/ att värmeförlusten per längd- enhet ökar längs mellanstyckena, eftersom den skyddande effekten som det kalla gasskiktet ger, avtar med avstån- det frân gasinsläppet, beroende på att gasströmmens rotation avtar och uppvärmningen därigenom går snabbare.

I fig 3 visas ett modifierat utförande av anordningen enligt uppfinningen, varvid de delar som är oförändrade har samma beteckningar som i fig 1. Vid 41 uppvisar an- ordningen ett diametersteg, som i det visade utförandet är anordnat i det första mellanstycket. Ytterligare dia- metersteg kan sedan anordnas. Själva diametersteget 41 452 942 10 15 20 25 30 10 kan utformas mer eller mindre brant och 1 det visade utförandet har steget formen av en stympad kon, var- vid konvinkeln väljes så att en i huvudsak avlösnings- fri strömning erhålles. Förhållandet mellan diametern före och efter diametersteget ligger på 0,5 till 1.

Pâ grund av diametersteget kommer gasens nflntionscent- rum att beskriva en väsentligen spiralformad bana, varigenomljusbágen även kommer att passera kallare gas, vilket antydes på figuren vid 42.

I fig 4 visas den tredje utföringsformen av uppfinningen, vilken skiljer sig från det i fig 1 visade utförandet endast genom att en elektromagnet 51 eller motsvarande anordnats,så att det därav alstrade magnetfältet, an- tytt med linjer 52, verkar på en del av ljusbågen. I själva verket kommer magnetfältet 52 att, såsom mag- neten ritats på figuren, påverka ljusbågen så att den viker av utåt mot en betraktare samtidigt som den p g a den roterande gasen kommer att bibringas en skruvformad rörelse, vilket antytts vid 53.

För att ytterligare belysa uppfinningen redogöres när- mare nedan för ett antal olika försöksserier.

Exempel I Mätningar utfördes på ett i en anordning enligt uppfin- ningen ingâende mellanstycke med en längd av 200 mm.

Vattenkylningen var uppdelad i fyra separata enheter, som vardera kylde 50 mm av elementet ifråga. Härvid visade det sig, att temperaturstegringen i de fyra olika segmenten uppgår till 3,80, 3,90, 4,20 och 5,30. Såsom framgår erhålles en kraftig temperaturstegring, under beaktande av att vattnet strömmar förbi mellanstycket i en spalt med i storleksordningen 0,1 mm tjocklek. 10 15 20 25 452 942 11 Vattnet strömmar sålunda förbi segmentet med mycket hög hastighet.

Exemgel II Med samma betingelser som vid försöket I men med 20 % högre gasflöde erhölls följande temperaturhöjningar: 3,s°, 3,9°, 4,1° och 4,s°c.

Av dessa försök framgår för det första, att gasflödet har stor betydelse för värmeförlusten till mellanstyc- kena och för det andra att en 10% förbättring av an- ordningens verkningsgrad uppnås genom att öka gasflödet med cirka 20 % i de utefter anordningen fördelade gas- tillförselspalterna.

Enligt uppfinningen kan sålunda konstrueras en anord- ning för elektrisk gasuppvärmning med fix båglängd och med långa mellanstycken, tack vare att ett isolerande gasskikt kan erhållas över hela anordningens längd, vilket ger kraftig minskning av värmeförlusterna till elektrodernas och mellanstyckenas väggar.

Genom att enligt den föredragna utföringsformen utfor- ma mellanstyckena som moduler med snabbanslutningar för gas och vatten, kan anordningen enkelt anpassas för olika effektbehov. För att närmare belysa detta redo- göres nedan i stora drag för hur spänningsfallet på- verkar anordningens längd.

Spänningsfallet i anordningen beror på en rad olika fak- torer, sàsom gassammansättning, gasmängd och gasentalpi, men för de flesta tillämpningar uppgår det väsentligen till 15 - 25 volt/cm.

Främst beroende på att man vill hålla elektrodslitaget 10 15 20 25 452 942 12 nere, skall strömstyrkorna helst inte överstiga 2 000 A.

Med ovannämnda begränsningar erhålles för totaleffekter på 5 respektive 10 MW ljusbàgslängder motsvarande 1 - 1,6 m respektive 2,5 - 3 m.

Elektrodlängderna uppgår i regel till 200 - 400 mm, och genom att utforma mellanstyckena som moduler och med lämpliga längder kan totaleffekten varieras i lämpliga steg.

Mellanstyckenas längd skall vara 100 - 500 mm, och upp- går företrädesvis till 200 - 400 mm.

Exempel III Vid försök utnyttjades två olika plasmageneratorer men under enhetliga betingelser, varvid den enda skillnaden mellan plasmageneratorerna låg i att den ena uppvisade ett diametersteg med ett förhållande Dföre/Defter generatorn uppvisade en enhetlig diameter över hela på 0,73, under det att den andra plasma- passagelängden.

Vid en första försöksserie erhölls vid ett gasflöde på 500 m3 per timme och en strömstyrka på 1700 ampere en spänning i plasmageneratorn utan steg på 1630 volt och i plasmageneratorn med steg 1820 volt.

Vid en andra försöksserie erhölls vid gasflöde 486 m3 per timme och en strömstyrka på 1500 ampere en spän- ning pâ 1680 volt respektive 1850 volt. 10 15 20 25 452 94-2 13 Exempel IV Ett antal försöksserier genomfördes med en plasma- generator med ett spolpar för generering av ett mag- netfält tvärs ljusbâgens väg, förutom det magnet- fält som utnyttjas för rotation av ljusbâgens fotpunk- ter, och i tabellen nedan redogöres för de spänningar, som erhölls för olika strömstyrkor genom magnetspolen.

Gasflödet genom plasmageneratorn uppgick till 905 m3 per timme och strömstyrkan uppgick till 1800 ampere.

TABELL Imagnetspole Uplasmagenerator Verkningsgradsföfiæüxrüg (A) (kV) (%) 0 2,1 - 100 2,16 0,4 200 2,25 1,0 300 2,32' 1,4 Av ovanstående exempel III och IV framgår, att man med bibehållen effekt på genereratorerna kan utforma dessa mer kompakta,vilket har mycket stor betydelse för den industriella tillämpningen. Givetvis kan utföringsfor- merna med magnetfält respektive diametersteg kombine- ras. Den ström som förbrukas i den ytterligare magnet- spolen utgör endast en bråkdel av den totala effekten och kan därför försummas vid beräkning av effektför- brukningen.

Det skall noteras, att vid utföringsformen med tvär- ställt magnetfält en påläggning av ett magnefält ökar verkningsgraden såväl som entalpin hos daiutgående gasen. 10 15 452 942 14 Detta är mycket överraskande, eftersom man med hittills känd teknik med ökande entalpi hos gasen varit tvungen att acceptera en lägre verkningsgrad.

Med tekniken enligt uppfinningen kan således plasma- generatorer konstrueras för mycket höga effekter men trots detta är de fortfarande hanterliga. Det har också lyckats att skapa en jämn temperaturfördelning men ändå under bibehållande av ett kallt skikt invid väggen. I hittills kända plasmageneratorer erhåller man inlednings- vis en mycket het ljusbåge medan det kalla skiktet vid väggen har stor utbredning, men på grund av strålningsför- luster och störd strömning försvinner det kalla skiktet mycket snabbt.

Konstruktionsmässigt är anordningen enligt uppfinningen enkel med få element och relativt få anslutningar, var- för den är mycket driftssäker. Även om så många som fem mellanstycken skulle utnyttjas är de så långa, att ström- ningsbilden förblir relativt ostörd utefter anordningens längd.

Claims (8)

10 15 20 25 452 942 15 P a t e n t k r a v

1. Anordning för elektrisk uppvärmning av gaser i form av en plasmagenerator innefattande cylindriska elektroder, varav den ena uppvisar en sluten ände och den andra är öppen i båda ändar, vilka elektroder är anslutna till en strömkälla för alstrande av en elektrisk ljusbâge mellan elektroderna samt anordningar för tillförsel av gas till anordningen, k ä n n e t e c k n a d av åtminstone ett mellan elektroderna anordnat mellanstycke (6, 7) med en längd av 100 - 500 mm.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att mellanstyckets (-nas) (6, 7) längd uppgår till 200 - 400 mm.

3. Anordning enligt något av kraven 1 - 2, k ä n n e - t e c k n a d av att antalet mellanstycken (6, 7) uppgår till 5 och att deras längd avpassas så att den totala läng- den svarar mot eftersträvad effekt och spänningsfall per längdenhet.

4. Anordning enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e - t e c k n a d av att dess effekt är 10 MW och att dess längd uppgår till 2 m.

5. Anordning enligt något av kraven 1 - 4, k ä n n e - t e c k n a d av att ljusbågspassagen uppvisar åtmins- tone ett diameterökningssteg (41) sett i gasens huvud- strömningsriktning. l

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n g t e C k - n a d av att förhållandet mellan diametern före respek- tive efter diameterökningssteget (41) uppgår till mellan 0,5 och 1, företrädesvis mellan 0,7 och 0,9. 1 1 452 942 10 16

7. Anordning enligt något av kraven 1 - 4, k ä n n e - t e c k n a d av en elektromagnet (51) eller motsvarande på en plats utefter ljusbågens väg för alstrande av ett vinkelrätt mot ljusbågen verkande magnetfält (52).

8. Anordning enligt något av kraven 1 - 7, k ä n n e - t e c k n a d av att den är uppbyggd av dels två ändmo- duler innefattande respektive elektrod (2, 3) med tillhö- rande anslutningar för el, gas samt kylvatten i form av snabbkopplingar, och dels mellan-moduler var och en inne- fattande ett mellanstycke (6 respektive 7) med snabbkopp- lingar för gas- och kylvattentillförsel.