-
Verfahren und Brenner zur Erzeugung einer stabilisierten Lichtbogenstrahlflamme
hoher Wärmeintensität Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren
zur Erzeugung einer stabilisierten Lichtbogen-Plasmagebläseflamme hoher Wärmeintensität,
unter Verwendung einer nicht abschmelzenden Stabelektrode und einer außerhalb des
Brenners befindlichen Gegenelektrode, weiterhin unter Verwendung eines konzentrisch
zum Lichtbogen angeordneten und diesen einschnürenden Flüssigkeitswirbels, der durch
die aus der Wirbelflüssigkeit unter Hitzeeinwirkung gebildeten, unter Druck ausströmenden
Gase im Abstand von dem Lichtbogen gehalten wird.
-
Bei einem früheren Verfahren zum Erzeugen einer Lichtbogenstrahlflamme
wurde ein zwischen einer innerhalb einer Gasdüse angeordneten Elektrode und einem
elektrisch leitenden Werkstück brennender Lichtbogen zusammen mit einem Gasstrom
durch eine einschnürende Düse hindurchgeführt, deren Wandungen innen wassergekühlt
waren. Dieses frühere Plasmagebläseverfahren hat aber mehrere Nachteile: Gelegentliche
Doppelbogenbildung, d. h. von der inneren Elektrode über die leitende Düse zum Werkstück,
Beschränkungen im Ausmaß üblicherweise erreichbarer Bogenbildung, Beschränkungen
mit nachteiliger Beeinflussung der Ausnutzung der Energie.
-
Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren wird der Lichtbogen durch
die Mitte eines einschnürenden Wasserwirbels hindurchgeführt, bevor er durch einen
einschnürenden Kanal hindurch austritt, dessen Oberfläche von einem Wasserfilm bedeckt
ist. Dank der teilweisen Verdampfung des Wassers und der Dissoziation des unter
Überdruck stehendenWasserdampfes in Gegenwart des Lichtbogens tritt die Plasmaflamme
mit hoher Geschwindigkeit aus. Die Eigenschaften einer solchen Ausströmung sind
indessen schwierig zu beherrschen. Ferner beschädigt der erodierende Effekt des
Wasserdampfs und des Sauerstoffs in statu nacendi die berührten Brennerteile und
erfordert häufigen Ersatz der Elektrode.
-
Demgemäß ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und einen Brenner zu schaffen, durch welche ein Lichtbogenstrahlflammengebilde mit
Hilfe eines Flüssigkeitswirbels leichter beherrscht werden kann und bei welchem
die Standzeit oder Lebensdauer der Elektrode merklich verlängert sind.
-
Bei dem Verfahren besteht die Erfindung darin, da.ß zwischen Lichtbogen
und Flüssigkeitswirbel bzw. den aus diesem gebildeten Gasen ein an sich bekannter,
den -Lichtbogen einschnürender- Inertschutzgasstrom eingeblasen wird.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Flüssigkeitswirbel
in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Flüssigkeit erzeugt, die unter Einfluß
des Lichtbogenplasmas chemisch reagiert.
-
Gemäß einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an Stelle
eines interten Schutzgases in an sich bekannter Weise Wasserstoff verwendet.
-
Die Erfindung betrifft ferner einen Brenner in einer sich in den Düsenkanal
erstreckenden, nicht abschmelzenden Stabelektrode, der unterhalb einer aus einer
Flüssigkeitsquelle gespeisten und mit Verteilmittel versehenen Wirbelkammer liegt,
aus welcher der Flüssigkeitswirbel, vorzugsweise über ein düsenförmig gekrümmtes
Übergangsstück, in den Düsenkanal eintritt und den zwischen der Stabelektrode und
einer außerhalb des Brenners befindlichen Elektrode gebildeten Lichtbogen umgibt,
und die Erfindung besteht darin, daß in an sich bekannter Weise ein die Elektrode
koaxial umgebender Gasströmungskanal vorgesehen ist, der den Gasstrom, vorzugsweise
über ein düsenförmig gekrümmtes Übergangsstück, über den Endteil der Elektrode in
die Mitte des Flüssigkeitswirbels leitet.
-
Die Erfindung ist in den Darstellungen an Hand von Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es zeigt Fig.1 einen schematischen Vertikalschnitt durch den erfindungsgemäßen
Brenner, Fig.2 einen Horizontalschnitt in einer durch die Linie 2-2 der Fig. 1 angedeuteten
Ebene, Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform
nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig.4 die Bogenspannung
als Funktion des Gasflusses und Fig. 5 die Bogenspannung als Funktion des Bogenstromes.
-
Der Lichtbogenbrenner hat einen oberen Brennerkörper, der im allgemeinen
mit 10 bezeichnet ist. Innerhalb eines in diesen oberen Brennerkörper gebohrten
Loches 12 ist eine Elektrode 14 axial angeordnet. Die Wandung des Loches 12 und
die Elektrode 14 schaffen zwischen sich -einen ringförmigen Kanal für den Fluß eines
zweckentsprechenden Gases, wie Helium, Argon, Stickstoff- oder Gemisch derselben,
oder- Wasserstoff oder irgendeines anderen Gases. Ein länglicher Flüssigkeitswirbel,
in der Form einer dünnen zylindrischen Schicht innerhalb eines Führungsrohres 15,
ist mit der Elektrode koaxial ausgerichtet. Die andere Primärelektrode kann ein
metallisches Werkstück 16 oder eine wassergekühlte Elektrode 16 sein. Ein zwischen
der Elektrode 14 und dem Werkstück 16 brennender Lichtbogen durchgreift den Flüssigkeitswirbel
innerhalb des Führungsrohres 15, ,wobei eine passende Stromquelle S mittels der
Leitungen 18 und 20 an sie angeschlossen ist. Eine extrem heiße, elektrisch leitende
Plasmagebläseflamme tritt aus dem Auslaß des Kanals innerhalb des Flüssigkeitsführungsrohres
15 aus. Ein Teil der gesamten Ausströmungen kann aus Dampf aus dem Flüssigkeitsfilm
bestehen. Der Druck innerhalb des Wirbels und demgemäß der Druck, unter welchem
der Lichtbogen arbeitet, kann selbstverständlich über einen weiten Bereich schwanken,
in Abhängigkeit vom Druck des eingeblasenen Gases und vom Druck des sich aus dem
Flüssigkeitswirbel bildenden Dampfes.
-
Bei der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform bilden das
Flüssigkeitsführungsrohr 15 und der Turbinenkörper 22 eine Baueinheit, die über
ein Rohr 23 mit dem oberen Brennerkörper 10 verbunden ist. In den Körper 22 ist
eine ringförmige Kammer 24 eingeformt, in welche Flüssigkeit unter Druck tangential
durch Einlässe 25 und 26 eingespritzt und damit veranlaßt wird, entlang des Führungsrohres
15 abwärts zu wirbeln, wobei sie einen Flüssigkeitsfilm bildet, der das Führungsrohr
verläßt und die aus diesem Rohr austretende Plasmaflamme umgibt. Die Beherrschung
der Bodenbedingungen, wie Länge, Spannung und Strom, ist der mit den bisherigen
Vorrichtungen erreichbaren weit überlegen.
-
Bei der in Fig.3 veranschaulichten Ausführungsform ist eine Gasdüse
28 vor dem Turbinenkörper 22 angeordnet und ein ähnlicher Düseneinlauf 32 im Turbinenkörper
selbst vorgesehen, um die Gas- und ZYasserflüsse in Stromlinienform zu bringen und
hierdurch den Betrieb zu verbessern. Nach diesen Regeln gebaute Brenner arbeiteten
bei Stromstärken von hunderten von Ampere jeweils mehrere Stunden, ohne daß Einstellungen
erforderlich waren.
-
Bei beiden Ausführungsformen verkörpert der Flüssigkeitsfilm eine
Ausströmung mitsamt dem Strom aus Bogen-Gas-Plasma und bildet somit die ganze auch
aus dem Führungsrohr 15 austretende Ausströtnung.
-
Folgende Beispiele geben die Betriebsweise des Verfahrens mit den
Flüssigkeitswirbeln stabilisiertem Lichtbogen wieder: Beispiel I Bei Verwendung
des in Fig. 1 veranschaulichten Brenners tritt Wasser mit etwa 1,71/Min. tangential
in die ringförmige Turbinenkammer von 5 mm Höhe und 17 mm Durchmesser ein und gelangt
dann in einer schraubenförmigen Bewegung herab entlang der Wandung des Führungsrohres
mit 8 mm Durchmesser und 13 mm Länge. Argongas floß mit 5661/Std. um eine 3 mm dicke
thorierte Wolframelektrode und heraus durch die Mitte des Wasserwirbels. Ein Lichtbogen
von 150 Ampere und 60 Volt Gleichstrom bei negativer Stabelektrode wurde zwischen
der inneren Elektrode und einer wassergekühlten Anode aufrechterhalten. Der Druck
war annähernd Atmosphärendruck. Beispiel II Die Brennerkonstruktion wurde dann in
jene gemäß der Fig. 3 abgewandelt; um die Gase und Wasserflüsse stromlinienförmig
zu gestalten und den Betrieb zu verbessern. Bei Verwendung dieses bevorzugten Brenners
trat Wasser mit 1,71/Min. in die ringförmige Kammer ein. Argongas floß mit 283 I/Std.
durch den Brenner hindurch, während ein Bogen mit 50 Ampere und 37 Volt Gleichstrom,
mit negativer Stabelektrode, zwischen der inneren Elektrode und einer wassergekühlten
Kupferanode aufrechterhalten wurde. Diese Vorrichtung konnte mehrere Stunden lang
praktisch ohne Abnutzung betrieben werden.
-
Eine durch Flüssigkeitswirbel stabilisierte Plasmaflamme der vorliegenden
Art hat ein weites Anwendungsfeld. Chemische Reaktionen können als Folge der nahen
Nachbarschaft der Flüssigkeit zum heißen Bogenplasma eingeleitet werden, wobei die
Reaktion entweder innerhalb der Flüssigkeit selbst oder zwischen der Flüssigkeit
und dem Schutzgas stattfindet. Wenn dieser Lichtbogen als ein chemisches Werkzeug
verwendet wird, kann die Konzentration des reagierenden Dampfes in der Bogensäule
(d. h. Dampf aus dem Flüssigkeitsfilm) geändert werden, indem man sowohl den Fluß
des Schutzgases hinter der Brennerelektrode als auch den Strom einstellt. Dies geht
aus den Fig. 4 und 5 hervor, wo Wasser als Flüssigkeit verwendet wurde; andere Flüssigkeiten
lassen sich indessen ebenso gut verwenden. Es ist allgemein bekannt, daß Wasserdampfbogen
charakteristischerweise bei viel höheren Spannungen arbeiten als ähnliche Bogen
in Argon. Die Abnahme der Bogenspannung, in Fig.4 als Funktion des Gasflusses veranschaulicht,
ist für die niedrigeren Konzentrationen des Wasserdampfes im Bogenplasma bezeichnend,
wenn der Argon gasfluß vergrößert wird. Die Bedeutung dieser Kontrolle der Wasserdampfkonzentration
läßt sich noch durch die Erwägung herausstellen, daß ein reagierendes Gas, wie Wasserstoff,
und eine reagierende Flüssigkeit oder ein Gemisch von Flüssigkeiten, wie Kohlenwasserstoffe,
bei diesem Brenner Anwendung finden können; die Kontrolle ihrer relativen Konzentrationen
an den Säumen des Plasmas schafft ein Mittel der Kontrolle und Steuerung der gegebenenfalls
auftretenden Reaktion.
-
Die schnelle Zunahme der Bogenspannung mit dem Strom (vgl. Fig. 5)
zeigt, daß höhere Dampfkonzentrationen im Bogenplasma als direkte Folge des erhöhten
Energietransports aus der Bogensäule zur Flüssigkeit vorhanden sind. Dies wiederum
bildet eine gesonderte Kontrolle der Dampfkonzentration und demzufolge der Reaktionsbedingungen.
-
Lichtbögen sind dafür bekannt, daß sie starke Ouellen ultravioletter
Strahlungsenergie sind. Mit dem vorliegenden Verfahren und seiner Vorrichtung kann
ein hohes Maß an UV-Strahlung an eine Flüssigkeit abgegeben werden, wobei sich die
Dicke des Flüssigkeitsfilms und der Strom leicht beherrschen lassen.