DD212380A5

DD212380A5 - Einrichtung zum elektrischen erhitzen von gasen

Info

Publication number: DD212380A5
Application number: DD83257177A
Authority: DD
Inventors: Sven Santen; Jan Thoernblom; Palne Mogensen; Mats Kaij
Original assignee: Skf Steel Eng Ab
Priority date: 1983-03-15
Filing date: 1983-11-26
Publication date: 1984-08-08
Also published as: FR2542963B1; NO162440B; CS140684A2; AU2146283A; ES527397A0; AU557177B2; PL246529A1; KR840009022A; FR2542963A1; IN161603B; CA1211511A; ZW2084A1; GB2136658B; AT389027B; PT78074A; FI840440L; GB2136658A; PL139664B1; IT1169641B; PT78074B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Erhitzen von Gasen mit zylindrischen Elektroden (2,3), zwischen denen ein Lichtbogen (20) erzeugt wird. Dabei ist bzw. sind zwischen diesen beiden Elektroden ein oder mehrere Distanzrohre (6,7) mit einer Laenge von 100 bis 500 mm angeordnet.

Description

Berlin, den 30.1,1984 63 247/13

Einrichtung zum elektrischen Erhitzen von Gasen Anwendungsgebiet der Erfindung

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

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

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 ließen 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 Verbrennungsverfah-

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ren oftmals zur direkten Erhitzung ungeeignet, da das Gas gleichzeitig bei der Veränderung der Zusammensetzung verschmutzt würde* Bestimmte chemische Prozesse,, insbesondere jedoch metallurgische Prozesse, erfordern extrsm hohe Temperaturen, und zwar in der Größenordnung von 1000 bis 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-PS 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 Rohr-

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leitung mit einer Düse vorgesehen ist₄ 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-PS 3 705 975 ist ferner ein selbst stabilisierender. Wechselst rom—Piasinagenerator 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 Reaktionskamsner bläst.

Fernerhin ist aus der US-PS 3 360 988 ein Plasmaganerator bekannt, welcher eine segments re, begrenzte Passage zwischen der Anode und Kathode besitzt. Die Lichtbogenkammer könnte hierbei als Oberschalldüse gekennzeichnet werden, wodurch die Anordnung zur Erhitzung eines Windtunnels geeignet ist-, wobei strömungsaufwärts der Düse eine Lichtbogenkathode und strömungsabwärts der Düse eine Anode angeordnet sind, die aus elektrisch leitenden Segmenten hergestellt und voneinander isoliert sind und sine kreisrunde Form bilden, während die Düse eine langgestreckte enge Passage mit gleichmäßigem Durchmesser bildet, durch welche der Lichtbogen hindurch muß.

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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 rnuß 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 bis 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 Strömstärke 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 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 Elektrodanplatten hin weg springt.

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

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Ausbildung zu, welche eine große Anzahl von Anschlüssen für Kühlmittel, Gaszufuhr usw. benötigen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile bekannter derartiger Einrichtungen zu vermeiden.

Darlequnq des Wesens der Erfinduηq

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 abgebildet ist, um für industrielle Zwecke wirtschaftlich eingesetzt werden zu können.

Erfindungsgemäß wird dies durch den einga§ngs beschriebenen Plasmagenerator erreicht, welcher gekennzeichnet ist durch wenigstens ein Distanzrohr mit einer Länge von 100 bis 500'run zwischen den Elektroden.

Die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Distanzrohres bzw. der Distanzrohre 200 bis 400 mra beträgt. Zwischen einer jeden Elektrode und dem anstoßenden Distanzrohr sowie zwischen den Distanzrohren sind Gaszufuhrschlitze ausgebildet. Die Schlitze sind 0,5 bis 5 mm breit. Seide Elektroden und die Distanzrohre sind mit Wasserkühlungen versehen. Dia Leistung der Einrichtung beträgt 10 MlV. Fünf Distanzrohre sind in einer derartigen Länge vorgesehen.

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daß die Gesamtlänge der gewünschten Leistung und dem Spannungsabfall pro Längeneinheit entspricht. Die Leistung der Einrichtung beträgt 10 Ml"./ und ihre Länge 2 ra. Die Elektroden und die Distanzrohre bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Gaszufuhrschlitze sind derart ausgebildet, daß das Gas während seines Durchganges durch den von den Elektroden und den Distanzrohren begrenzten zylindrischen Raura in Rotation versetzbar ist» Der Strömungswinkel des Gases ist in bezug auf den Radius größer als 0° und beträgt vorzugsweise 35 bis 90°» Nahe den Elektroden sind ein Magnetfeld erzeugende Spulen angeordnetY wodurch die Wurzeln des Lichtbogens in Rotation versetzbar sind« Dicht an den Elektroden sind. Dauermagnete angeordnet, durch deren Magnetfelder die Wurzeln des Lichtbogens in Rotation versetzbar sind. Der Gaszufuhrschlitz zwischen der strömungsaufwärts liegenden Elektrode und dem anschließenden Distanzrohr ist derart ausgebildet, daß das Gas anfangs in einer der Haupt st ronvungsrichtung entgegengesetzten Richtung strömt und dadurch die strömungsaufwärts liegende Wurzel des Lichtbogens entgegen der Strömungsrichtung des Lichtbogens zum geschlossenen Elektroden-Ende hin bewegbar ist. Nahe dem geschlossenen Ende der strömungsaufwärts liegenden Elektrode ist ein weiterer Gaszufuhrschlitz ausgebildet und ein Durchflußstellglied vorgesehen ist, durch welches die Gaszufuhr durch diesen S_chlitz oder den Schlitz zwischen der strömungsaufwärts liegenden Elektrode und dem anschlie— Senden Distanzrohr abwechselnd steuerbar ist und die Lage der oberen Wurzel des Lichtbogens in Längsrichtung veränderbar ist.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung be-

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sitzt die Einrichtung zwei Endmodule» deren jedes die betreffende Endelektrode mit Anschlüssen für Elektrizität, Gas und Kühlmittel aufweist _t 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.

Der Lichtbogenkanal der Einrichtung weist zumindest eine,, in Längsrichtung der Gasströmung gesehen, den Durchmesser vergrößande Stufe auf.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist.die Einrichtung in Haupt richtung 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.

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Durch diese den Durchmesser vergrößernde Stufe wird das Rotationszantrum 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 Licht' bogens 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.

Ausführunqsbeispiel

Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnung, Darin zeigen:

Fig* 1: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in schematischer Darstellung;

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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 sehematischer Darstellung; und

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

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zur e-flektTischen 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 5 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-

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kühlungen, wie dies durch die Einlaß- und Auslaßanschlüsse 12, 13; 14, 15; 16, 17 und 18, 19 für Wasser angegeben ist. Beide Elektroden sowie dis 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» öede 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 Geschvvindigkeitskomponente entgegen der Haupt strömungsrichtung 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 fließt. Indem im Zusammenhang mit den beiden Gaseinlässen 8 und 11 außerdem eine im englischen Sprachgebrauch als fluidizer bezeichnete Einrichtung 25 oder irgendein anderes Durchflußstallglied angeordnet wird, können größere oder kleinere Gasmengen durch den Gaseinlaß am geschlossenen Elektrodenende 4 eingebracht werden. Da-

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durch 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 Leistungsverinderung im Lichtbogen zu erreichen*

Das durch die Gaszufuhrschlitze 8; 9; 10 zwischen den Distanzrohren sowie zwischen dem strömungsabwärts 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 bis 5 mm betragen. Auf diese Weise wird längs der Innenvvandungen 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 anders »Vurzel des Lichtbogens mit der Elektrodenwandung in Kontakt, Die Durchschnitt stemperatur des ausströmenden Gases kann je nach der Leistung des Lichtbogens und der Menge des pro Zeiteinheit ausströmenden Gases zwischen 2000 und IC 000 C schwanken.

Wie Fig, 2 zeigt, kann ein Gaszufuhrschlitz mittels einer

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Ringscheibe 31 hergestellt werden, welche rund um ihren Umfang gleichmäßig verteilte Nuten 32 bis 38 besitzt, um eine Anzahl von Gaszufuhröffnungen zu bilden. Diese Nuten sind dabei derart zu dimensionieren, daß der Ausst römwinkel «£ in bezug auf den Radius größer als 0° ist und vorzugsweise 35 bis 90° beträgt»

Die Querschnittsfläche der Nuten ist derart auszubilden, daß sich eine Eineströmgeschwindigkeit 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 «"eise ausgenutzt werden kann, äa& der Lichtbogen daran gehindert wird,, eine anders Bahn zu wählen, d. h, durch die Distanzrohre hindurch, wobei er die Gaszuführschlitze direkt "überspringt".

Durch Versuche wurde festgestellt, daß der Wärraeverlust 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 erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei die Teile, welche gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 unverändert bleiben, dia gleichen Bezugszeichen tragen. Bei diesem Ausfüh.rungsbei-

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spiel 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 dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines Kegelstumpf es, wobei der Kegeiwinkel 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 Bezugszeichen 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. 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 schraubenlinienförraige Bewegung erhält, wie sie durch das Bezugszeichen 53 angedeutet ist.

Zur weiteren Illustrierung der Erfindung werden nachstehend verschiedene Versuchsreihen beschrieben.

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Beispiel I

An einem 200 mm langen Distanzrohr in einer erfindungsgemäßen Einrichtung wurden Messungen durchgeführt. Die Wasserkühlung wurde in vier getrennte Einheiten aufgeteilt, welche jeweils 50 min des betreffenden Elementes kühlten. Es wurde festgestellt, daß der Temperaturanstieg in jedem der vier Segmente 3,8° bzw» 3*9° bzw» 4,2° bzw» 5,3⁰C 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·

3eispiel 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_Gas~ strömung 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 lO^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 Gas-

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schicht über die gesamte Länge der Einrichtung erzialbar ist, welche VV'ärmeverluste 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 angepaßt werden. Zur weiteren Illustrierung dieser Tatsache wird nachstehend eine rohe Erläuterung gegeben, wie der Spannungsabfall die Länge der Einrichtung beeinträchtigt.

Der Spannungsabfall in der Einrichtung hängt von einer Anzahl verschiedener Faktoren wie beispielsweise der Gaszu<~ samraensetzung, der Gasmenge, der Gasenthalpie ab. Für die meisten Anwendungszwecke liegt er allerdings bei 15 bis 25 V—era.

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 bis 1,5 m bzw. 2,5 bis 3 m bei einer Gesamtleistung von 5 bzw« 10 MW erzielt.

Die Elektroden waren gewöhnlich 200 bis 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 bis 500 mm, vorzugsweise 200 bis 400 mm, lang sein.

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3eispiel III

Sei 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 rait einem Verhältnis D /D^ .. von 0,73 besaß, während der andere einen gleichmäßigen Durchmesser über die gesamte Durchlauflänge aufwies*

In einer ersten Versuchsreihe mit einer Gasströmung von 500 m /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 m /h und einer Stromstärke von 1500 A erhielt man eine Spannung von 1680 bzw» 1850 V.

Beispiel IV

Eine Reihe von Versuchen wurde mit einem Plasmagenerator durchgeführt, welcher außer dem zur Rotation der Lichtbogen» wurzeln verwendeten Magnetfeld ein Spulenpaar besaß, um ein Magnetfeld über die Bahn des Lichtbogens zu erzeugen. Nachstehende Tabelle zeigt die für verschiedene Stromstärken durch dis Magnetspule erhaltenen Spannungen*

Die Gasströmung durch den Plasmagsnerator betrug 905 m^/h, und die Stromstärke betrug 1800 A*

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Tabelle	Plasmagenerator
Magnetspule	(kV)
(A)	2,1
O	2,16
100	2,25
200	2,32
300

Leistungsverbesserung

0,4 1,0 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 dia 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

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erzielt werden, während man trotzdem eins kalte Schicht längs der Wand behält. Bei herkömmlichen Plasraageneratoren 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 Sauteilen 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.

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 Oistanzrohr (6; 7) mit einer Länge von 100 bis 500 mm zwischen den Elektroden (2; 3).
2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge des Distanzrohres bzw. der Distanzrohre (6; 7) 200 bis 400 mm beträgt.
3. Einrichtung nach den Punkten 1 oder 2_t gekennzeichnet dadurch, 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 Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daB die Schlitze (8; 9; 10) 0,5 bis 5 mm breit sind.
5. Einrichtung nach den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß beide Elektroden (2; 3) und dia Distanzrohre (5; 7) mit Wasserkühlungen (12, 13; 14, 15; 16, und 18, 19) versehen sind.
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δ. Einrichtung nach den Punkten 1 bis δ, gekennzeichnet dadurch, daß ihre Leistung 10 MW beträgt»

7» Einrichtung nach irgendeinem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, 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 Punkten 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß ihre Leistung 10 MW und ihre Länge 2 m beträgt. '
9. Einrichtung nach irgendeinem der Punkte 1 bis S, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden (2; 3) und die Distanzrohra (6; 7) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.

10« Einrichtung nach irgendeinem der Punkte 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Gaszufuhrschlitze (8; 9; 10) derart ausgebildet sind, daß das Gas während seines

Durchganges durch den von den Elektroden uncf den

Distanzrohren begrenzten zylindrischen Raum in Rotation versetzbar ist,
11. Einrichtung nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch, daß der Strömungsviinkel des Gases in bezug auf den Radius größer als 0 ist und vorzugsweise 35 bis 90 beträgt.
12. Einrichtung nach irgendeinem der Punkte 1 bis 11, ge-
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kennzeichnet dadurch, 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 irgendeinem der Punkte 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, 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 irgendeinem der Punkte 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, daß der Gaszufuhrschlitz (S) zwischen der strömungsaufvvärts liegenden Elektrode (2) und dem anschließenden Distanzrohr (6) derart ausgebildet ist, daß das Gas anfangs in einer der Haupt strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung strömt und dadurch die st romungsaufwärts liegende Wurzel (23) des Lichtbogens entgegen der Strömungsrichtung des Lichtbogens zum geschlossenen Elektroden-Ende (4) hin bewegbar ist*
15. Einrichtung nach irgendeinem der Punkte 1 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß nahe dem geschlossenen Ende (4) der strömungsaufwärts liegenden Elektrode (2) ein weiterer Gaszufuhrschlitz (11) ausgebildet ist und daß ein DurchfluSstellglied (25) vorgesehen· ist, durch, welches die Gaszufuhr durch diesen Schlitz (11) oder den Schlitz (8) zwischen der st römungsaufv/ä rt s 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.
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15* Einrichtung nach irgendeinem der Punkte 1 bis 15» gekennzeichnet dadurch, 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 Zvvischenmodulen' mit jeweils einem Distanzrohr (δ bzw. 7) mit Schnellkupplungen für Gas und für ein Kühlmittel aufgebaut ist.

17, Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Punkte» gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtbogenkanal zumindest eine, in Längsrichtung der Gasströmung gesehen, den Durchmesser vergrößernde Stufe (41) aufweist.

IS. Einrichtung nach Punkt 17* gekannzeichnet dadurch _t daß das Verhältnis der Durchmesser vor und hinter der Stufe (41) 0,5 bis I₁ vorzugsweise 0,7 bis 0_t9 beträgt.

19» Einrichtung nach einem oder mehreren dsr Punkte 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*

Hierzu 2_Sei!en Zeidinunoen