CH665072A5

CH665072A5 - Plasmagenerator.

Info

Publication number: CH665072A5
Application number: CH992/84A
Authority: CH
Inventors: Sven Santen; Palne Mogensen; Mats Kaij; Jan Thoernblom
Original assignee: Skf Steel Eng Ab
Priority date: 1983-03-15
Filing date: 1984-03-01
Publication date: 1988-04-15
Also published as: GB2136658B; GB8329660D0; FR2542963A1; FI840440A0; NO833849L; FI78592B; IT8323525A0; DD212380A5; YU44784A; PT78074B; NL8303706A; AU2146283A; ZW2084A1; IT1169641B; AU557177B2; PT78074A; GB2136658A; KR840009022A; NO162440C; PH20949A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Erhitzen von Gasen in Form eines Plasmagenerators mit zylindrischen Elektroden, deren eine am einen Ende geschlossen und deren andere an beiden Enden offen ist, wobei diese Elektroden zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen sich an eine Stromquelle angeschlossen sind und Anordnungen für die Gaszufuhr zur Einrichtung vorgesehen sind.

Bei industriellen Prozessen werden heisse Gase verwendet, um Wärmeenergie zu übertragen, und/oder zur Teilnahme an chemischen Reaktionen. Oftmals sind die Gasmengen extrem gross, was zu hohen Handling-Kosten führt. Oftmals Hessen sich die Gasmengen stark verringern, vorausgesetzt, dass im Gas eine ausreichend hohe Enthalpie oder Energiedichte erzielt werden kann.

Ein Verfahren zur Erhöhung des Energiegehaltes eines Gases besteht in der Verwendung eines Wärmetauschers. Da der Leistungsgrad bezüglich der Energieübertragung an Gase in Wärmetauschern jedoch gering ist, bedeutet dies keine sehr erfolgreiche Lösung. Ein anderes Verfahren besteht beispielsweise darin, fossile Brennstoffe zu verwenden, um das Gas direkt zu erhitzen. Wenn das Gas jedoch an einer chemischen Reaktion teilnehmen soll, so ist dieses Verbrennungsverfahren oftmals zur direkten Erhitzung ungeeignet, da das Gas gleichzeitig bei der Veränderung der Zusammensetzung verschmutzt würde. Bestimmte chemische Prozesse, insbesondere jedoch metallurgische Prozesse, erfordern extrem hohe Temperaturen, und zwar in der Grössenordnung von 1000-3000°C, und/oder den Zusatz von grossen Energiemengen unter gesteuertem Sauerstoffpotential. In derartigen Fällen sollten die Prozesse auch steuerbar sein, indem die Gasmenge verändert wird und auch, indem die Enthalpie des Gases verändert wird, während das Gasvolumen beibehalten und das Sauerstoffpotential gesteuert wird. Unter gewissen Umständen ist es erforderlich, dass man die Gasmenge sehr genau steuern kann, beispielsweise wenn das Gas einen oder mehrere der an einer chemischen Reaktion teilnehmenden Reaktionspartner enthält.

Es wurden bereits zahlreiche Einrichtungen entwickelt, um all diese Forderungen zu erfüllen, wobei sich herausgestellt hat, dass die Verwendung eines elektrischen Lichtbogens zur Plasmaerzeugung ein äusserst brauchbares Verfahren darstellt.

So ist bereits ein Plasmagenerator aus der US-Patentschrift

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3 301 995 bekannt, welcher zwei wassergekühlte zylindrische Elektroden aufweist, die axial voneinander entfernt angeordnet sind und deren eine ein geschlossenes Ende besitzt und deren andere an beiden Enden offen ist, ferner nahe der offenen Elektrode eine Düse, sodann eine wassergekühlte Kammer mit einem beträchtlich grösseren Durchmesser als dem der Elektroden und dem des Schlitzes zwischen den Elektroden, wobei ausserdem Anordnungen in der Kammer der Wandung vorgesehen sind, um Gas in die Kammer einzublasen, während eine Rohrleitung mit einer Düse vorgesehen ist, um den zu erhitzenden Gasstrom in der Kammer zu lenken. Dabei können auch Magnetspulen rund um die Elektroden angeordnet sein, um eine Rotation der Wurzeln des Lichtbogens zu erreichen.

Aus der US-Patentschrift 3 705 975 ist ferner ein selbststabilisierender Wechselstrom-Plasmagenerator mit einem Spalt oder Schlitz zwischen zwei axial voneinander getrennten Elektroden bekannt, bei welchem der Spalt schmal genug ist, um die erneute Zündung des Lichtbogens bei jeder Halbperiode zu ermöglichen. Bei diesem Plasmagenerator wird der Lichtbogen in die Elektrodenkammer geblasen und arbeitet dort mit dem zu erhitzenden Gas zusammen. Zwischen den Elektroden ist eine Trennwand angeordnet und in dieser Trennwand sind Kanäle ausgebildet, welche dazu bestimmt sind, dem Gas eine hohe Winkelgeschwindigkeit sowie eine axiale Geschwindigkeitskomponente zu erteilen, welche den Lichtbogen in die Reaktionskammer bläst.

Fernerhin ist aus der US-Patentschrift 3 360 988 ein Plasmagenerator bekannt, welcher eine segmentare, begrenzte Passage zwischen der Anode und Kathode besitzt. Die Lichtbogenkammer könnte hierbei als Überschalldüse gekennzeichnet werden, wodurch die Anordnung zur Erhitzung eines Windtunnels geeignet ist, wobei strömungsaufwärts der Düse eine Lichtbogenkathode und strömungsabwärts der Düse eine Anode ange- . ordnet sind, die aus elektrisch leitenden Segmenten hergestellt und von einander isoliert sind und eine kreisrunde Form bilden, während die Düse eine langgestreckte enge Passage mit gleich-massigem Durchmesser bildet, durch welche der Lichtbogen hindurch muss.

Die vorbeschriebenen Arten von Plasmageneratoren haben jedoch gewisse Einschränkungen und Nachteile.

Die Verwendung von zwei Elektroden, welche durch einen Gaseinlass getrennt sind, bedeutet, dass die Lichtbogenlänge und damit die Spannung durch die Gasströmung bestimmt wird. Bei konstanter Stromstärke muss die Gasströmung erhöht werden, um die Spannung und damit die Leistung zu erhöhen, wodurch die Enthalpie des ausströmenden Gases verringert wird.

Bei normalem Überdruck, d.h. bei einem Druck von 1-10 bar, wird die Spannung relativ niedrig sein, und zwar in einer Grössenordnung von 1000 V. Der einzige Weg der Erhöhung der Leistung besteht daher darin, die Stromstärke zu erhöhen. Dies führt jedoch zu kürzerer Lebensdauer der Elektroden.

Bei segmentären Kanälen, d.h. Kanälen, bei denen Isolierplatten mit Elektrodenplatten abwechseln, ist die mögliche Spannung und damit auch die Leistung begrenzt, da der Strom der längs der kalten Gasschicht entlang der Wand gestört wird und der Lichtbogen daher auch zu früh nach unten schlägt. Ausserdem besteht dabei auch die Gefahr, dass der Lichtbogen, statt den Kanal zentral zu durchlaufen, über die relativ dünnen Isolierplatten zwischen den Elektrodenplatten hin wegspringt.

Bisher bekannte Plasmageneratoren sind hauptsächlich für -den Laborbedarf gedacht und daher für industriellen Einsatz nicht geeignet, da sie zu kompliziert gebaut sind. Dies trifft vor allem für die Plasmageneratoren mit segmentärer Ausbildung zu, welche eine grosse Anzahl von Anschlüssen für Kühlmittel, Gaszufuhr usw. benötigen.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Plasmagenerator zu schaffen, welcher eine hohe Leistung abgibt, dessen Elektroden eine lange Lebensdauer haben, der einen hohen Wirkungsgrad besitzt und einfach und zuverlässig ausgebildet ist, um für industrielle Zwecke wirtschaftlich eingesetzt werden zu können.

Erfindungsgemäss wird dies durch den eingangs beschriebenen Plasmagenerator erreicht, welcher gekennzeichnet ist durch wenigstens ein Distanzrohr mit einer Länge von 100-500 mm zwischen den Elektroden.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt die Einrichtung zwei Endmodule, deren jedes die betreffende Endelektrode mit Anschlüssen für Elektrizität, Gas und Kühlmittel aufweist, sowie ausserdem Zwischenmodule mit jeweils einem Distanzrohr mit Anschlüssen für Kühlmittel und Gas, wobei diese Anschlüsse vorzugsweise als Schnellkupplungen ausgebildet sind, während Anordnungen vorgesehen sind, um mehrere Module miteinander und mit jedem Endmodul zu verbinden. Auf diese Weise kann das Betriebsverhalten durch Entfernen oder Zusatz eines oder mehrerer Distanzrohre schnell und bequem auf die jeweiligen Bedürfnisse eingestellt werden.

Indem der Gaszufuhrschlitz oder die Gaszufuhrschlitze derart angeordnet werden, dass das Gas während seines Durchganges in Drehung versetzt wird, wird der Lichtbogen stabilisiert. Die Rotation der Gasströmung ergibt zusammen mit kalten Wandungen einen zentrierten stabilen Lichtbogen mit geringer Vermischung und daher hoher Temperatur. Dies bringt gewisse Nachteile in Form von geringem Spannungsabfall und hohen Strahlungsverlusten mit sich.

Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist die Einrichtung in Hauptrichtung der Gasströmung einen stufenweise zunehmenden Durchmesser auf. Dabei ist zumindest eine den Durchmesser vergrössernde Stufe vorgesehen und das Verhältnis der Durchmesser vor und hinter der Stufe beträgt etwa 0,5 bis 1, vorzugsweise 0,7 bis 0,9.

Durch diese den Durchmesser vergrössernde Stufe wird das Rotationszentrum des Gases in eine Spiralbahn geleitet, so dass das umgebende Gas in den Lichtbogen untergemischt wird und diesen kühlt. Bei konstanter Stromstärke und konstanter Gasströmung ergibt dies eine erhöhte Spannung des Lichtbogens bei praktisch gleichem Wirkungsgrad, oder aber die Einrichtung kann infolgedessen bei gleicher Leistung kompakter ausgebildet werden.

Nach einem Alternativvorschlag der Erfindung ist an einer Stelle längs des Pfades des Lichtbogens ein Elektromagnet oder eine gleichwertige Anordnung angeordnet, durch welche ein rechtwinklig zum Lichtbogen wirksames Magnetfeld erzeugt wird. Dies führt dazu, dass der Lichtbogen zumindest um ein kurzes Stück von der geometrischen Mittellinie des Durchganges fortbewegt wird, wodurch sich die gleiche Wirkung wie bei der Anordnung mit einer den Durchmesser vergrössernden Stufe ergibt.

Beide Ausbildungen erfordern erfindungsgemäss lange Segmente, um eine ungestörte Strömung zu erhalten und damit die Lichtbogenspannung zu erhöhen, während ein hoher Wirkungsgrad bewahrt wird.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Gaszuführungsschlitz in schematischer Darstellung als Schnitt durch Fig. 1 längs der Linie II-II;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer den Durchmesser vergrössernden Stufe in schematischer Darstellung; und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Magnetspule zur Erzeugung eines Transversal-Magnetfel-des in schematischer Darstellung.

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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zur elektrischen Erhitzung von Gasen in schematischer Darstellung einer Einrichtung 1 besitzt zwei zylindrische Elektroden 2 und 3, von denen die erste ein geschlossenes freies Ende 4 und die zweite ein offenes freies Ende 5 besitzt, sowie zwischen den Elektroden Distanzrohre 6 und 7. Dabei sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei derartige Distanzrohre vorgesehen. Wie noch zu erläutern sein wird, kann die Anzahl und die Länge dieser Distanzrohre allerdings verändert werden.

Zwischen einer jeden Elektrode und dem anschliessenden Distanzrohr sowie zwischen den beiden Distanzrohren sind Gaszufuhrschlitze 8, 9 und 10 vorgesehen. Ausserdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Gaszufuhrschlitz 11 nahe dem geschlossenen Ende der ersten Elektrode ausgebildet.

Beide Elektroden sowie die Distanzrohre besitzen Wasser kühlungen, wie dies durch die Einlass- und Auslassanschlüsse 12, 13; 14, 15; 16, 17 und 18, 19 für Wasser angegeben ist. Beide Elektroden sowie die Distanzrohre sind vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.

Die Elektroden sind an eine im einzelnen nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen, um zwischen beiden Elektroden einen Lichtbogen 20 zu erzeugen. Jede Elektrode ist von einer Magnetfeldspule oder einem Dauermagnet 21 bzw. 22 umgeben, um ein Magnetfeld zu erzeugen, durch welches die Wurzeln 23 bzw. 24 des Lichtbogens in Drehung versetzbar sind.

Der Hauptteil des zu erhitzenden Gases wird zwischen der strömungsaufwärts liegenden Elektrode 2 und dem anschliessenden Distanzrohr 6 eingeleitet. Indem man diesen Gaseinlass derart anordnet, dass der Gasströmung eine anfängliche Geschwindigkeitskomponente entgegen der Hauptströmungsrichtung erteilt wird, kann die Lage der Wurzeln des Lichtbogens in Längsrichtung durch «Blasen» verschoben werden. Ein Teil dieses Hauptgasstromes kann abgetrennt werden und durch den Gaszufuhrschlitz 11 nahe dem geschlossenen Ende dieser Elektrode eingebracht werden. Vorzugsweise ist der Schlitz 11 derart ausgebildet, dass das Gas im wesentlichen in Hauptrichtung der Strömung fixesst. Indem im Zusammenhang mit den beiden Gaseinlässen 8 und 11 ausserdem eine im englischen Sprachgebrauch als fluidizer bezeichnete Einrichtung 25 oder irgendein anderes Durchflussstellglied angeordnet wird, können grössere oder kleinere Gasmengen durch den Gaseinlass 11 am geschlossenen Elektrodenende 4 eingebracht werden. Dadurch wird weiterhin der Verschleiss an den Elektroden verringert, da die Lichtbogenwurzeln hin und zurück bewegt werden können. Dieser «Blaseffekt» kann auch ausgenutzt werden, um die Länge des Lichtbogens zu verändern und dadurch eine gewisse Leistungsveränderung im Lichtbogen zu erreichen.

Das durch die Gaszufuhrschlitze 8, 9, 10 zwischen den Distanzrohren sowie zwischen dem strömungsaufwärts liegenden Distanzrohr und der offenen Elektrode einströmende Gas soll den Lichtbogen daran hindern, zu früh abzufallen. Dieses einströmende Gas erlangt daher eine tangentiale und vorzugsweise auch eine axiale Geschwindigkeitskomponente. Die Breite des Schlitzes sollte vorzugsweise 0,5-5 mm betragen. Auf diese Weise wird längs der Innenwandung der Elektroden und der Distanzrohre eine kühlere umlaufende Gasschicht erzielt, welche den Lichtbogen umgibt, welcher seinerseits im wesentlichen zentral in dem zylindrischen Raum verläuft. Zur Erzielung dieser kühleren Gasschicht wird daher längs der Bahn des Lichtbogens durch die Gaseinlässe Gas eingeblasen.

Wenn der Gasstrom sich dem Auslass der stromabwärts liegenden Elektrode nähert, kommt die andere Wurzel des Lichtbogens mit der Elektrodenwandung in Kontakt. Die Durch-schnittstemperatur des ausströmenden Gases kann je nach der Leistung des Lichtbogens und der Menge des pro Zeiteinheit ausströmenden Gases zwischen 2000 und 10 000°C schwanken.

Wie Fig. 2 zeigt, kann ein Gaszufuhrschlitz mittels einer

Ringscheibe 31 hergestellt werden, welche rund um ihren Umfang gleichmässig verteilte Nuten 32- 38 besitzt, um eine Anzahl von Gaszufuhröffnungen zu bilden. Diese Nuten sind dabei derart zu dimensionieren, dass der Ausströmwinkel a in be-zug auf den Radius grösser als 0° ist und vorzugsweise 35 - 90° beträgt.

Die Querschnittsfläche der Nuten ist derart auszubilden,

dass sich eine Einströmgeschwindigkeit von wenigstens 50 m/s ergibt.

Es ist durchaus überraschend, dass die Anordnung einiger weniger Gaseinlässe, die relativ weit voneinander längs der Bahn des Lichtbogens angeordnet sind, den Lichtbogen daran hindern kann, zu früh abzufallen. Überraschend ist auch, dass dies in der Weise ausgenutzt werden kann, dass der Lichtbogen daran gehindert wird, eine andere Bahn zu wählen, d.h. durch die Distanzrohre hindurch, wobei er die Gaszufuhrschlitze direkt «überspringt».

Durch Versuche wurde festgestellt, dass der Wärmeverlust pro Längeneinheit längs der Distanzrohre ansteigt, da der Schutzeffekt der kühlen Gasschicht mit zunehmender Entfernung vom Gaseinlass abnimmt, da die Gasrotation schwächer wird und die Erhitzung infolgedessen schneller erfolgt.

Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der er-findungsgemässen Einrichtung, wobei die Teile, welche gegenüber der Ausführung gemäss Fig. 1 unverändert bleiben, die gleichen Bezugszeichen tragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im ersten Distanzrohr 6 eine den Durchmesser vergrössernde Stufe 41 dargestellt. Im Anschluss daran können zusätzliche den Durchmesser vergrössernde Stufen angeordnet werden. Die vorgesehene den Durchmesser vergrössernde Stufe 41 kann eine sich ändernde Steilheit aufweisen und besitzt bei dem dargestell ten Ausführungsbeispiel die Form eines Kegelstumpfes, wobei der Kegelwinkel derart gewählt wird, dass sich eine im wesentlichen glatte Strömung ergibt. Das Durchmesserverhältnis vor und hinter der Stufe beträgt 0,5 bis 1. Durch diese den Durchmesser vergrössernde Stufe wird das Zentrum der Rotation des Gases dazu gebracht, eine im wesentlichen spiralförmige Bahn zu beschreiben, so dass der Lichtbogen auch kühleres Gas passiert, wie dies durch das Bezugszeigen 42 in der Fig. 3 angegeben ist.

Das in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 nur darin, dass ein Elektromagnet 51 oder eine gleichwertige Einrichtung derart angeordnet ist, dass das entstehende Magnetfeld, welches durch die gestrichelten Linien 42 angedeutet ist, auf einen Teil des Lichtbogens einwirkt. Tatsächlich beeinflusst das durch den gemäss Fig. 4 angeordneten Elektromagneten 51 erzeugte Magnetfeld 52 den Lichtbogen in der Weise, dass er sich nach aussen zu einem Beobachter hin dreht, während er gleichzeitig durch ein rotierendes Gas eine schrau-benlinienförmige Bewegung erhält, wie sie durch das Bzugszei-chen 53 angedeutet ist.

Zur weiteren Illustrierung der Erfindung werden nachstehend verschiedene Versuchsreihen beschrieben.

Beispiel I

An einem 200 mm langen Distanzrohr in einer erfindungsge-mässen Einrichtung wurden Messungen durchgeführt. Die Wasserkühlung wurde in vier getrennte Einheiten aufgeteilt, welche jeweils 50 mm des betreffenden Elementes kühlten. Es wurde festgestellt, dass der Temperaturanstieg in jedem der vier Segmente 3,8° bzw. 3,9° bzw. 4,2° bzw.5,3° betrug. Wie man sieht, ergibt sich ein beträchtlicher Temperaturanstieg, wenn man bedenkt, dass das Wasser am Distanzrohr in einem Spalt von etwa 0,1 mm Weite vorbeifliesst. Das Wasser fliesst infolgedessen am Segment mit äusserst hoher Geschwindigkeit vorbei.

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Beispiel II

Unter den gleichen Bedingungen wie im Versuch I, jedoch mit einer um 20% höheren Gasströmung ergaben sich nachstehende Temperaturanstiege: 3,8°; 3,9°; 4,1° und 4,8°C.

Aus diesen Versuchen ergibt sich eindeutig, dass die Gasströmung einen grossen Einfluss auf die Wärmeabgabe an die Distanzrohre hat und auch, dass durch Erhöhung der Gasströmung um etwa 20% in den längs der Einrichtung angeordneten Gaszufuhrschlitzen eine 10%ige Leistungsverbesserung erzielt wird.

Daher kann erfindungsgemäss eine Einrichtung zum elektrischen Erhitzen von Gasen mit feststehender Lichtbogenlänge und mit langen Distanzrohren gebaut werden, da eine isolierende Gasschicht über die gesamte Länge der Einrichtung erzielbar ist, welche Wärmeverluste an die Wandungen der Elektroden und der Distanzrohre weitgehend herabsetzt.

Indem man die Distanzrohre als Module mit Schnellkupplungen für Gas und Wasser entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung baut, kann die Einrichtung ohne Schwierigkeiten verschiedenen Leistungsbedürfnissen an-gepasst werden. Zur weiteren Illustrierung dieser Tatsache wird nachstehend eine grobe Erläuterung gegeben, wie der Spannungsabfall die Länge der Einrichtung beeinträchtigt.

Der Spannungsabfall in der Einrichtung hängt von einer Anzahl verschiedener Faktoren wie beispielsweise der Gaszusammensetzung, der Gasmenge, der Gasenthalpie ab. Für die meisten Anwendungszwecke liegt er allerdings bei 15-25 V-cm.

Um vor allem den Elektrodenverschleiss niedrig zu halten, sollte die Stromstärke vorzugsweise nicht über 2000 A liegen.

Mit den vorgenannten Einschränkungen wurden Lichtbogenlängen von 1-1,5 m bzw. 2,5-3 m bei einer Gesamtleistung von 5 bzw. 10 MW erzielt.

Die Elektroden waren gewöhnlich 200-400 mm lang, und durch Konstruktion der Distanzrohre in geeigneter Länge und als Module lässt sich die Gesamtleistung in geeigneten Stufen verändern.

Die Distanzrohre sollten 100-500 mm, vorzugsweise 200-400 mm lang sein.

Beispiel III

Bei diesem Versuch wurden zwei verschiedene Plasmageneratoren verwendet, wobei allerdings gleiche Bedingungen vorherrschten und der einzige Unterschied zwischen den Generatoren darin bestand, dass der eine eine den Durchmesser vergrössernde Stufe mit einem Verhältnis DVOr/Dhinter von 0,73 besass, während der anderen einen gleichmässigen Durchmesser über die gesamte Durchlauflänge aufwies.

In einer ersten Versuchsreihe mit einer Gasströmung von 500 m3/h und einer Stromstärke von 1700 A erhielt man in dem Plasmagenerator ohne Stufe eine Spannung von 1630 V und in dem Plasmagenerator mit einer Stufe eine Spannung von 1820 V.

In einer zweiten Versuchsreihe mit einer Gasströmung von 485 m3/h und einer Stromstärke von 1500 A erhielt man eine Spannung von 1680 bzw. 1850 V.

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Beispiel IV

Eine Reihe von Versuchen wurde mit einem Plasmagenerator durchgeführt, welcher ausser dem zur Rotation der Lichtbogenwurzeln verwendeten Magnetfeld ein Spulenpaar besass, um ein Magnetfeld über die Bahn des Lichtbogens zu erzeugen. Nachstehende Tabelle zeigt die für verschiedene Stromstärken durch die Magnetspule erhaltenen Spannungen.

Die Gasströmung durch den Plasmagenerator betrug 905 m3/h und die Stromstärke betrug 1800 A.

TABELLE

^Magnetspule (A)

^Plasmagenerator (kV)

Leistungsverbesserung (%)

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2,1

—

100

2,16

0,4

200

2,25

1,0

300

2,32

1,4

Aus den vorstehenden Beispielen III und IV ergibt sich eindeutig, dass unter Beibehaltung der Leistung der Generatoren diese kompakter ausgeführt werden können. Dies ist für ihre industrielle Anwendung von grosser Bedeutung. Naturgemäss können die Ausführungen mit einem Magnetfeld und mit den Durchmesser vergrössernden Stufen miteinander kombiniert werden. Der Stromverbrauch in der zusätzlichen Magnetspule bildet nur einen Bruchteil der Gesamtenergie und kann daher bei der Berechnung des Energieverbrauches vernachlässigt werden.

Zu beachten ist, dass bei der Ausführung mit Transversal-Magnetfeld die Anwendung eines Magnetfeldes sowohl die Leistung wie die Enthalpie des die Vorrichtung verlassenden Gases erhöht. Dies ist äusserst überraschend, da bei herkömmlichen Verfahren eine erhöhte Enthalpie im Gas bedeutete, dass man eine geringere Leistung akzeptieren musste.

Daher können erfindungsgemässe Plasmageneratoren für äusserst hohe Leistungen gebaut werden, welche dennoch beherrschbar bleiben. Es kann auch eine gleichmässige Temperaturverteilung erzielt werden, während man trotzdem eine kalte Schicht längs der Wand behält. Bei herkömmlichen Plasmageneratoren erhielt man anfänglich einen heissen Lichtbogen, und die kalte Schicht längs der Wandung ,war extensiv, verschwand jedoch infolge der Strahlungsverluste und ungleichmässiger Strömung sehr schnell.

In konstruktiver Hinsicht ist die erfindungsgemässe Einrichtung einfach mit nur wenigen Bauteilen und relativ wenigen Verbindungen. Sie ist daher im Betrieb äusserst zuverlässig. Selbst wenn man fünf Distanzrohre verwendet, sind sie so lang, dass das Strömungsbild über die Länge der Einrichtung relativ ungestört bleibt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Einrichtung zum elektrischen Erhitzen von Gasen in Form eines Plasmagenerators mit zylindrischen Elektroden, deren eine am einen Ende geschlossen und deren andere an beiden Enden offen ist, wobei diese Elektroden zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen sich an eine Stromquelle angeschlossen sind und Anordnungen für die Gaszufuhr zur Einrichtung vorgesehen sind, gekennzeichnet durch wenigstens ein Distanzrohr (6, 7) mit einer Länge von 100-500 mm zwischen den Elektroden (2, 3).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Distanzrohres bzw. der Distanzrohre (6, 7) 200-400 mm beträgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer jeden Elektrode (2, 3) und dem anstossenden Distanzrohr sowie zwischen den Distanzrohren (6, 7) Gaszufuhrschlitze (8, 9, 10) ausgebildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (8, 9, 10) 0,5-5 mm breit sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (2, 3) und die Distanzrohre (6, 7) mit Wasserkühlungen (12, 13; 14, 15; 16, 17 und 18, 19) versehen sind.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Leistung 10 MW beträgt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass fünf Distanzrohre (6, 7) in einer derartigen Länge vorgesehen sind, dass die Gesamtlänge der gewünschten Leistung und dem Spannungsabfall pro Längeneinheit entspricht.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Länge 2 m beträgt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2, 3) und die Distanzrohre (6, 7) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhrschlitze (8, 9, 10) derart ausgebildet sind, dass das Gas während seines Durchganges durch den von den Elektroden und den Distanzrohren begrenzten zylindrischen Raum in Rotation versetzbar ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswinkel des Gases in bezug auf den Radius grösser als 0° und vorzugsweise 35-90° beträgt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nahe den Elektroden (2, 3) ein Magnetfeld erzeugende Spulen (21, 22) angeordnet sind, wodurch die Wurzeln (23, 24) des Lichtbogens (20) in Rotation versetzbar sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dicht an den Elektroden (2, 3) Dauermagnete angeordnet sind, durch deren Magnetfelder die Wurzeln (23, 24) des Lichtbogens (20) in Rotation versetzbar sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaszufuhrschlitz (8) zwischen der strömungsaufwärts liegenden Elektrode (2) und dem anschliessenden Distanzrohr (6) derart ausgebildet ist, dass das Gas anfangs in einer der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten Richtung strömt und dadurch die strömungsaufwärts liegende Wurzel (23) des Lichtbogens entgegen der Strömungsrichtung des Lichtbogens zum geschlossenen Elektroden-Ende (4) hin bewegbar ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nahe dem geschlossenen Ende (4) der strömungsaufwärts liegenden Elektrode (2) ein weiterer Gaszufuhrschlitz (11) ausgebildlet ist und dass ein Durchflussstellglied (25) vorgesehen ist, durch welches die Gaszufuhr durch diesen Schlitz (11) oder den Schlitz (8) zwischen der strömungsaufwärts liegenden Elektrode (2) und dem anschliessenden Distanzrohr (6) abwechselnd steuerbar ist und die Lage der oberen Wurzel (23) des Lichtbogens (20) in Längsrichtung veränderbar ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei Endmodulen mit jeweils einer Elektrode (2, 3) mit Anschlüssen für elektrischen Strom, für Gas und für ein Kühlmittel in Form von Schnellkupplungen sowie aus Zwischenmodulen mit jeweils einem Distanzrohr (6 bzw. 7) mit Schnellkupplungen für Gas und für ein Kühlmittel aufgebaut ist.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenkanal zumindest eine, in Längsrichtung der Gasströmung gesehen, den Durchmesser vergrössernde Stufe (41) aufweist.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Durchmesser vor und hinter der Stufe (41) 0,5 bis 1, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 beträgt.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen an einer Stelle längs des Pfades des Lichtbogens angeordneten Elektromagnet (51) oder eine gleichwertige Anordnung zur Erzeugung eines rechtwinklig zum Lichtbogen wirksamen Magnetfeldes.