WO2024031118A2 - Vorrichtung zur bereitstellung eines plasmas - Google Patents

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    • F27D7/00—Forming, maintaining or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/04—Circulating atmospheres by mechanical means

Definitions

  • the invention relates to a device for providing a plasma, comprising at least one plasma generation element with an inlet and an outlet for a gaseous fluid, a first flow channel being arranged in the plasma generation element, optionally a second flow channel arranged concentrically thereto, which surrounds the first flow channel at least in sections, is arranged, wherein the first flow channel is flow-connected to a first connection for a gaseous fluid to form a heated gas stream and / or a plasma stream.
  • the invention further relates to a device for the thermal treatment of a substance, in particular a solid, comprising at least one device for providing a plasma.
  • the invention relates to a method for operating a device for providing a plasma for generating a hot gas stream and/or a plasma stream for thermally treating a substance, comprising the steps: supplying a gaseous fluid into a plasma generating element of the device, generating a plasma in the plasma generating element; Providing a hot fluid stream through the plasma, optionally by heating the gaseous fluid with the plasma to produce a hot gas, the hot fluid stream being directed outside the plasma generating element onto the material to be treated.
  • DE10 2020202 484 A1 describes a device for melting metals whose melting temperature is less than 1000 ° C, in which a device for forming a plasma is arranged on a melting furnace, the device being connected to an electrical power supply and to the device at least a first supply for a plasma gas, with which the plasma can be formed, is connected and the device is designed, dimensioned, arranged and / or aligned so that the formed plasma is arranged at a distance from the metal as melting material, and thereby with the plasma a hot gas stream can be formed, which is directed in the direction of the melting material and to A melting tank or a crucible is arranged in the melting furnace to receive the molten metal.
  • an inductive plasma torch with a tubular torch body with a proximal and a distal end, which further has an inner cylindrical surface with a first diameter, a tube enclosing a plasma, which is made of a material which is a high thermal conductivity, which defines an axial chamber in which a high temperature plasma is enclosed, and which has a cylindrical outer surface with a second diameter that is slightly smaller than the first diameter, wherein the tube containing the plasma is mounted within the tubular torch body and the cylindrical inner and outer surfaces are coaxially aligned with each other to form a thin annular chamber of equal thickness between the inner and outer surfaces, a gas distribution head mounted at the proximal end of the torch body for distributing at least one gaseous substance into the axial Chamber defined by the plasma enclosing tube, a cooling fluid source connected to the thin annular chamber to establish a high velocity cooling fluid flow in the annular chamber, both the high thermal conductivity of the material from which the plasma enclosing
  • US 2004/107796 A1 describes a plasma-assisted melting process comprising: forming a plasma in a cavity by exposing a first gas to electromagnetic radiation at a frequency of less than about 333 GHz in the presence of a plasma catalyst; heating a second gas with the plasma; adding a solid to a melting vessel; and directing the heated second gas toward the solid sufficient to at least melt the solid.
  • an induction plasma torch which comprises: a tubular torch body containing a cylindrical inner surface with a first diameter; a plasma containment tube made of thermally conductive ceramic material and including a first end, a second end, and a cylindrical outer surface having a second diameter that is smaller than the first diameter; wherein the plasma containment tube is mounted in the tubular torch body and forms an annular chamber between the cylindrical inner and outer surfaces; a gas distributor attached to the tubular torch body at the first end of the plasma containment tube and supplying at least one gaseous substance to the plasma containment tube, the at least one gaseous substance flowing through the plasma containment tube from its first end toward its second end; an induction coil to which an electric current is supplied for inductively energizing the at least one gaseous substance flowing through the plasma containment tube to produce and maintain plasma in the containment tube, the induction coil coaxial with the cylindrical inner and outer surfaces of the annular chamber is; and means for establishing a flow of cooling fluid in the annular
  • EP 3 314 989 B1 describes an induction plasma torch comprising: a tubular torch body with an upstream region and a downstream region, the upstream and downstream regions defining respective internal surfaces; and a plasma containment tube provided within the tubular torch body, coaxial with the tubular torch body and having an inner surface of constant inner diameter and an outer surface; and a tubular insert mounted on the inner surface of the downstream portion of the tubular torch body, the tubular insert having an inner surface; and an annular channel defined between the inner surface of the upstream portion of the tubular torch body and the inner surface of the tubular insert, and the outer surface of the plasma containment tube, the annular channel being configured to conduct a cooling liquid for cooling the plasma containment tube; and wherein the plasma confinement tube has a tubular wall having a thickness tapering over at least a portion of the plasma confinement tube in an axial direction of plasma flow.
  • EP 2 671 430 B1 describes an induction plasma torch comprising: a tubular torch body having an inner surface; a plasma containment tube disposed coaxially with the tubular torch body in the tubular torch body, the plasma containment tube having an outer surface; a gas distribution head disposed at one end of the plasma containment tube and structured to supply at least one gaseous substance into the plasma containment tube; an inductive coupling element for applying energy to the gaseous substance to generate and maintain plasma in the plasma confinement tube; and a capacitive shield including a layer of a conductive material applied to the outer surface of the plasma containment tube or the inner surface of the tubular torch body, the layer of conductive material being segmented into axial strips and the axial strips connected to one another at one end and wherein the inductive coupling element is embedded within the tubular torch body and axial grooves are formed in the outer surface of the plasma containment tube or the inner surface of the tubular torch body, one of the axial grooves being arranged between a pair of laterally adjacent axial strips
  • the object of the invention is achieved in the device mentioned at the outset for providing a plasma in that the inlet of the plasma generating element is fluidly connected to a conveying element with which the gaseous fluid can be accelerated.
  • the object of the invention is achieved with the device mentioned at the outset for the thermal treatment of a substance, which has the device according to the invention for providing a plasma.
  • the object of the invention is achieved with the method mentioned at the beginning, according to which it is provided that the gaseous fluid is accelerated before being fed into the plasma generating element.
  • the advantage here is that the introduction of the gaseous fluid into the plasma generation element can be improved with the acceleration. This in turn can prevent overheating of the plasma generating element and/or the device on which the plasma generating element is arranged and/or the material to be thermally treated in the area of the plasma.
  • the acceleration is of distribution when a mixture of gaseous fluids, such as preferably a circulating gas and a fresh gas, is supplied to the plasma generating element, since the other gas stream can also be “entrained” with the accelerated gas stream.
  • an overpressure can be generated in the system, which prevents the penetration of oxygen-containing gases from the environment of the device and thus oxidative problems also in the device for thermally treating a substance having the device.
  • the plasma generating element is connected to a gas supply device flow s.
  • the gas supply device can have a fresh gas supply and/or a circulating gas supply for a circulating gas, whereby the gas lines in the system can be simplified, in particular if gaseous fluid is supplied to the plasma generating element at several different points.
  • the conveying element is preferably arranged in a circulating gas guide for the circulating gas, which is connected to the outlet of the plasma generating element flow s. Since the proportion of circulating gas in the device should be maximized as much as possible in order to improve the energy balance, the above-mentioned effects can be further improved with this embodiment variant.
  • the conveying element is a jet pump.
  • the gaseous fluid in particular the circulating gas, can be hotter, since a jet pump can be operated without moving parts.
  • the jet pump has a propellant connection which is connected to the fresh gas supply.
  • the fresh gas supplied to the plasma generation element can therefore also take on the function of the propellant, with which a cost reduction can be achieved by reducing the quantities of fluid required.
  • the jet pump is a controllable jet pump with a control of the volume or quantity flow of fresh gas, whereby the regulation and / or control of the device for generating a plasma and the device for the thermal treatment of a substance can be simplified .
  • the inlet of the plasma generation element is fluidly connected to a further fresh gas supply.
  • a further fresh gas supply is fluidly connected to a further fresh gas supply.
  • conveying elements can also be used for circulating the circulating gas.
  • a heat exchanger is arranged in front of the conveying element in the flow direction of the gaseous fluid, since this allows the temperature of the gaseous fluid to be reduced and, as a result, conveying elements with less thermal load, such as a fan, can also be used can.
  • the heat exchanger also allows the energy extracted from the gaseous fluid to be further used.
  • a further heat exchanger is arranged in the further fresh gas supply, so that the fresh gas can be introduced into the plasma generating element at a higher temperature.
  • the use of a heat exchanger makes it possible to use waste heat from another process.
  • the further heat exchanger can be connected to the heat exchanger in front of the conveying element flow s, so that the preheating can take place with the waste heat from the process itself.
  • the distance between the heat exchangers is comparatively small, which means that the energy balance of the device or device according to the invention can be improved.
  • the conveying element can also be a fan or a turbine, which means that the supply of a driving fluid can be dispensed with, but at the same time a good controllability of the volume flow can be made possible.
  • another gaseous fluid can be mixed into the gaseous fluid according to an embodiment variant of the method.
  • the further gaseous fluid can also be used to adjust or regulate the temperature and/or the level of a plasma torch. This allows local temperature increases to be minimized and the overall heat transfer to be improved.
  • the plasma is generated inductively with at least one electrical induction coil, and that further the temperature of the induction coil and / or a temperature increase of a cooling liquid for the induction coil and / or a temperature change of the wall of the Plasma generation element is measured in the area of the hot gas outlet and the volume flow of the central gas flow is changed based on this measured value when the temperature changes.
  • the efficiency of the device for generating a plasma can thus be improved, for example by increasing or reducing the volume flow proportion of circulating gas.
  • this further comprises the steps of supplying a fresh gas stream to a gas supply device of the plasma generating element, supplying a circulating gas stream from a treatment chamber in which the material is thermally treated, to the gas supply device includes, whereby a jet pump is used to supply the circulating gas stream, which is operated with a fresh gas stream as propellant gas.
  • the volume flow of the circulating gas flow is regulated with the volume flow of fresh gas that is supplied to the jet pump, which can subsequently influence the temperature in the treatment chamber for the material to be thermally treated .
  • Fig. 1 shows a device for the thermal treatment of a material
  • FIG. 2 shows a detail of a device for providing a plasma
  • FIG. 3 shows a detail from an embodiment variant of a device for providing a plasma
  • FIG. 4 shows a detail from a further embodiment variant of a device for providing a plasma
  • 5 shows a detail from a further embodiment variant of a device for providing a plasma
  • 6 shows an arrangement of several plasma generation elements
  • Fig. 8 shows a jet pump in longitudinal section
  • FIG. 9 shows a detail from an embodiment variant of the device for providing a plasma
  • FIG. 10 shows an embodiment variant of a device for the thermal treatment of a material
  • Fig. 11 shows a further embodiment variant of a device for the thermal treatment of a material.
  • a first and a second gaseous fluid as well as a further gaseous fluid are listed below. These fluids can be different gases or the same gases. Furthermore, the gaseous fluids can be pure gases or gas mixtures.
  • fresh gas recirculation gas
  • exhaust gas also referred to as plasma gas
  • process gas also referred to as plasma gas
  • the fresh gas and the process gas can be formed by at least one of the gaseous fluids mentioned in the previous paragraph.
  • the circulating gas is - as the name suggests - circulated in the device according to the invention and used again to generate plasma. It therefore changes from the exhaust gas back into the process gas.
  • hot fluid and “hot fluid stream” are also used in this description. In the sense of the description, these terms are used both for a plasma stream that is directed directly onto a substance to be treated and for a hot gas stream a gas stream that is heated with a plasma and which is subsequently directed onto the material to be treated or is used for the thermal treatment of the material is used.
  • gases suitable for forming a plasma can be used as gaseous fluids, such as nitrogen, argon, neon, xenon, air, carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen, gaseous water, or a mixture of at least two of these gases.
  • device 1 shows a device 1 for the thermal treatment (hereinafter referred to as device 1) of a substance 2.
  • the substance 2 can be a liquid or a gas. However, the substance 2 is preferably a solid, in particular a metallic solid.
  • the thermal treatment can be the melting of the substance 2 or the tempering of the substance 2, for example maintaining a certain temperature, or the heating of the substance 2.
  • the thermal treatment can also include a chemical reaction that is carried out at an elevated temperature. This list of possible uses of the device 2 is only to be understood as an example, with the melting of a metallic solid being one of the preferred applications.
  • FIG. 1 Since the areas of application of the device 1 are different, the schematic representation in FIG. 1 is not to be understood as limiting, but rather as merely illustrating the invention.
  • the device 1 includes a receptacle 3 for the substance 2.
  • the receptacle 3 can be formed by a separate container in which the substance 2 is located. In the case of a gas or in general, the receptacle 3 can also just be a housing 4 of a treatment chamber 5 or a chamber of the treatment chamber 5 in which the material 2 for the thermal treatment is located.
  • the separate container mentioned, if present, is also arranged in the treatment chamber 5.
  • the device 1 further comprises a device 6 for providing a plasma (hereinafter referred to as device 6), with which the thermal energy for the thermal treatment of the material 2 is provided.
  • the device 6 is arranged on the housing 4 of the treatment chamber 5 in such a way that a plasma torch or a plasma stream or a hot gas stream 7, which is generated with the plasma from the process gas, extends into or towards the treatment chamber 5.
  • the device 6 comprises at least one plasma generation element 8.
  • FIG. 8 An embodiment variant of the plasma generating element 8 (also referred to as a plasma torch) is shown in detail in a longitudinal section in FIG.
  • the plasma generating element 8 has an element body 9 (also referred to as a burner body). At least one electrical induction coil 10 for plasma generation is arranged in or on the element body 9. Several induction coils 10 can also be used, which can optionally be designed to be regulated and/or controllable independently of one another. The plurality of induction coils 10 can be arranged one behind the other in the flow direction of the gaseous fluid(s).
  • the plasma can also be generated differently, for example by means of a magnetron or generally with microwaves (for example generated by means of a solid state microwave generator) or by means of two electrodes, etc.
  • first flow channel 11 for a first gaseous fluid and a concentrically arranged second flow channel 12 for a second gaseous fluid are arranged in the element body 9.
  • the first flow channel 11 is arranged at least in sections, for example in the area above or a partial area of the arrangement of the induction coil 10 within the second flow channel 12.
  • the first and second flow channels 11, 11 can be tubular, for example with a circular cross section.
  • the first and/or the second flow channel 11, 11 can be formed, for example, from a quartz glass tube or an aluminum oxide tube or a boron nitride tube, etc.
  • the second flow channel 12 can be arranged at a distance 13 from a surface 14 of the element body 9 (in particular that surface 9 behind which the induction coil 10 is arranged), which is selected from a range of 0 mm to 30 mm, in particular 0 mm up to 20 mm.
  • the first flow channel 11 can be arranged at a radial distance 15 from the two flow channel 12, which is selected from a range of 0.1 mm to 40 mm, in particular 0.4 mm to 30 mm.
  • the speed of the protective gas stream 20 can also be adjusted via the distance.
  • the first flow channel 11 has a first connection 16, i.e. a first supply, for the first gaseous fluid and the second flow channel 12 has a second connection 17, i.e. a second supply, for the second gaseous fluid.
  • first and second connections 16, 17 can be fed by a common supply line 18 for the gaseous fluids.
  • completely separate/independent feeds for the first and second gaseous fluid can also be present.
  • the first gaseous fluid is fed via the first connection 16 to the first flow channel 11 to form a heated gas stream (central gas stream 19).
  • the second gaseous fluid is fed via the second connection 17 to the second flow channel 12, which forms a protective volume flow (protective gas flow 20) between the surface 14 of the plasma generating element 8, i.e. the element body 9, and the heated gas flow or the plasma flow.
  • Both gas streams, i.e. the central gas stream 19 and the protective gas stream 20 leave the plasma generating element 8 together via an outlet 21, i.e. an outflow opening, in order to be available for the thermal treatment of the substance 2.
  • the representation of the plasma generation element 8 in FIG. 2 is of an exemplary nature.
  • the specific arrangement of the individual elements in the plasma generation element 8 can also be designed differently as long as the functionality is retained.
  • Plasma generating element 8 is shown in a longitudinal section and schematically, with the same reference numbers or component names being used for the same parts as in FIGS. 1 and 2 be used. In order to avoid unnecessary repetitions, reference is made to the above description.
  • the first flow channel 11 ends at a distance from the outlet 21 of the plasma generating element 8, whereby, among other things, the effect of the induction coil 10 on the central gas flow 19 can be improved.
  • the specific distance to the output 21 depends on the respective design of the plasma generating element 8.
  • the second flow channel 12 is delimited to the outside by the surface 14 of the element body 9 of the plasma generating element 8, i.e. by that Plasma generation element 8 is formed itself.
  • the second flow channel 12 is formed by its own channel element 22, as is the case in the embodiment variant according to FIG. 2 and is shown in dashed lines in FIG. 3, but this channel element 22 is directly on the surface 14 of the element body 9 is arranged adjacently.
  • this channel element 22 can also be formed as a coating on the surface 14 of the element body 9. The coating can, for example, be formed at least partially from silver, gold, aluminum, etc.
  • the spaced arrangement of the channel element 22 shown in FIG. 2 is also possible in the embodiment variant of the plasma generating element 8 according to FIG. 3.
  • the induction coil 10 can be arranged at a short distance from the surface 14 of the element body 9.
  • the induction coil 10 can be designed to be cooled, for which purpose it can have a cooling channel 23. Water, a cooling oil, etc., for example, can be used as a cooling medium that can flow through the cooling channel 23.
  • the further flow channel 24 is arranged or formed in the plasma generating element 8.
  • the further flow channel 24 can be formed in the element body 9 of the plasma generating element 8.
  • the further flow channel 24 is connected to a further connection 25 for a further gaseous fluid flow.
  • the further connection 25 can also be connected to the supply line 18 (see Fig. 2). be connected so that all three gaseous fluids have the same composition.
  • a completely independent supply of the further gaseous fluid, independent of the supplies of the first and second gaseous fluid is also possible.
  • the further flow channel 24 is designed to run obliquely to the first flow channel 11 and to the second flow channel 12, with an angle 26 between the flow channels 11 or 12 and 24 being formed such that a flow direction through the The gas stream formed by the third fluid, in particular a cooling gas stream 27, runs in the direction of the center or in the direction of a longitudinal central axis 28.
  • the further flow channel 24 runs over its entire length in the plasma generating element 8, i.e. in the element body 9, with the same angle of inclination.
  • the end section begins at an outlet opening 29 of the further flow channel 24 in the plasma generation element 8.
  • the further flow channel 24 can therefore be designed with different inclination angles when viewed over its length or the further flow channel 24 can also have a curved course.
  • the further flow channel 24 enables the supply of the further gaseous fluid to change the temperature of the hot gas stream 7 or plasma stream formed from the protective gas stream 20 and the central gas stream 19. If necessary, the position of the hot gas stream 7 or the plasma stream or the plasma torch can also be changed.
  • the angle 26, which at least the end section of the further flow channel 24 includes with the first and second flow channels 11, 12, can be selected from a range of 10 0 and 80 °, in particular from a range of 15 0 up to 70 °.
  • the angle can be 26 20 0 or 30 0 or 40 0 or 45 0 or 50 0 or 60 0 .
  • FIG. 4 shows, which shows a top view of a section of an embodiment variant of the plasma generation element 8 in cross section, several further flow channels 24 can be provided, for example four or only two or three or more than four, for example five or six, etc Several further flow channels 24 are along a circular circumference (or circumference) through the second flow channel 12 is defined, arranged distributed, in particular evenly distributed or symmetrically distributed. Webs 30 of the element body 9 can be formed between the individual further flow channels 24.
  • the second flow channel 12 can also be divided into several second flow channels 12, which are arranged distributed over the circumference of the first flow channel 11.
  • each of the several further flow channels 24 extends - as shown in FIG. 4 - over a circular ring segment (or a circular ring section).
  • the circular ring segments can be selected from a range of 20 to 88°.
  • the circular ring segments can extend over a range from 10 0 to 80 0 or a range from 20 0 to 70 °.
  • a single circular ring segment can also extend over a range from 10 0 to 358 0 .
  • annulus segments can extend over a range from 2 0 to a value defined by 360 "/number of annulus segments - 1 0 , in particular up to a value defined by 360 "/number of annulus segments - 5 ° .
  • the multiple circular ring segments can all have the same length in the circumferential direction. However, at least one of the circular ring segments can also have a different length in the circumferential direction than the other circular ring segments.
  • the device 6 there is the possibility that it has a gas supply device 31.
  • the plasma generating element 8 is supplied not only with the first gaseous fluid, but also with the second and the further gaseous fluid from the gas supply device 31, as indicated by dashed lines in FIG. 1.
  • first connection 16 for the first gaseous fluid and the second connection 17 for the second gaseous fluid and/or the further connection 25 for the further gaseous fluid can be connected to the gas supply device 31 flow s.
  • first connection 16 for the first gaseous fluid and the second connection 17 for the second gaseous fluid and the further connection 25 for the further gaseous fluid can each be supplied with the same gaseous fluid or at least two of them or all with different gaseous fluids or .
  • first connection 16 can be supplied with a fresh gas and the second connection 17 and/or the further connection 25 can be supplied with a circulating gas.
  • the device 6 it can be provided that at least one fresh gas supply 32 and at least one circulating gas supply 33 open into the gas supply device 31 in order to provide at least a portion of at least one of the gaseous fluids, as shown in dashed lines in FIG.
  • the circulating gas supply can be connected to the device 1 for the thermal treatment of the material 2, in particular an oven, into which the hot gas or plasma generated by the plasma generating element 8 can be introduced.
  • the circulating gas is introduced directly into the plasma generating element 8, without the detour via the gas supply device 31, as shown in full lines in FIG.
  • At least one conveying element 34 for example a jet pump, for the circulating gas is arranged in the circulating gas supply.
  • conveying element 34 reference is also made to the following statements.
  • the plasma generating element 8 has a connection 35 for an ignition gas 36, for example argon, in order to improve or accelerate the formation of the plasma or to also use less suitable gases for the To be able to feed the plasma into the device 6.
  • an ignition gas 36 for example argon
  • At least one heat exchanger 37 is arranged in the fresh gas supply 32 for heating the newly supplied gaseous fluid (the fresh gas).
  • the heat exchanger can be designed according to the state of the art. It should be mentioned at this point that in Fig. 1 the fresh gas supply 32 is connected to the gas supply device 31. However, it can be provided that, alternatively or in addition, the fresh gas supply 32 is connected directly to the plasma generating element 8, as shown in dashed lines in FIG. 1.
  • FIG. 5 shows a further and possibly independent embodiment of the plasma generating element 8 in a longitudinal section and schematically, with the same reference numbers or component names being used for the same parts as in FIGS. 1 to 4. In order to avoid unnecessary repetitions, reference is made to the above description.
  • the first flow channel 11 has/have a reflective coating 38 on the inside and/or the second flow channel 12 on the inside.
  • This coating 38 can extend over the entire length or only a portion of the length of the first flow channel 11 and/or the second flow channel 12, for example only in an initial region or an end region and/or a central region of the first flow channel 11 and/or the second Flow channel 12 extend.
  • the coating 38 can also consist of sections with different compositions in order to better correspond to the temperature distribution in the plasma generating element 8, since the radiation maxima occur at different wavelengths depending on the temperature. The radiation maxima shift to shorter wavelengths at higher temperatures.
  • a material can be selected for coating sections corresponding to the respective wavelength or wavelength range, which is particularly effective at the respective maximum of the radiation.
  • a coating made of aluminum can be more effective than one made of gold or silver. At longer wavelengths this can be exactly the opposite.
  • the coating 38 can be made metallic, for example.
  • the coating 38 may be formed by silver, gold, platinum, aluminum, or an alloy with at least one of these metals. This makes it possible, among other things, to adjust or change or increase the quantity of the reflected radiation and/or the wavelength range of the reflected radiation.
  • the wavelength range of the reflected radiation can be reduced to wavelengths of less than 500 nm or less than 200 nm must be covered in order to increase the proportion of reflected radiation in this wavelength range.
  • the coating 38 in addition to the circumferential, full-surface design of the coating 38, according to one embodiment variant, there is also the possibility of designing it in strips or columns, as is indicated in FIG. 5 using the strips 39 shown in dashed lines.
  • the strips 39 can have a width in the circumferential direction of the first flow channel 11 or the second flow channel 12, which is selected from a range between 0.1% and 20%, in particular between 1% and 10%, of the circumference of the first flow channel 11 or .the second flow channel 12.
  • the strips 39 can be arranged at a distance 40 from one another, which is selected from a range between 0.1% and 20%, in particular between 1% and 10%, of the circumference of the first flow channel 11 or the second flow channel 12.
  • the strips 39 can all be made of the same material. However, they can also consist of different materials, for example strips 39 made of metals with different levels of reflection can be combined with one another in a plasma generating element 8. Different materials can also be provided for the continuous coating 38 by forming it in sections from different materials, as explained above.
  • the strips 39 have a longitudinal extension in the direction of the longitudinal central axis 28 through the first flow channel 11.
  • the strip shape of the coating 38 can also be achieved by one or more helical configuration(s), whereby here too, distances can be formed between the coated sections (e.g. in the form of a helical, uncoated section).
  • the strips 39 can be designed as a coating 38. However, they can also be manufactured as separate components and subsequently connected to the first flow channel 11 or the second flow channel 12. The same applies to the coating 38 itself, by producing it as a tube and inserting it into the first flow channel 11 or the second flow channel 12. There is also the possibility that the first flow channel 11 or the second flow channel 12 is made from a correspondingly reflective material or with a correspondingly reflective surface, for example due to a developed surface structuring.
  • FIGS. 1 to 5 further and possibly independent embodiments of the device 6 are shown schematically and in sections, with the same reference numbers or component names as in FIGS. 1 to 5 being used for the same parts. In order to avoid unnecessary repetitions, reference is made to the above description.
  • the plasma generating elements 8 can all have the same heating power or a different heating power, as is indicated in FIGS. 6 and 7 with different sized versions of the plasma generating elements 8. It should also be noted again that the specific representations should be understood as examples. Other designs are also possible, such as three plasma generation elements 8 with the same heating power and one plasma generation element 8 with a comparatively lower heating power, for example to be able to compensate for peak loads with this “smaller” plasma generation element 8.
  • the plasma generation elements 8 are operated with 100% power (300 kW each), or that with a desired 700 kW power, the plasma generation elements 8 are operated with 78% power each, or that with a desired 600 kW power, two plasma generation elements 8 are operated with 100% power each and the third with 0% power, or that with a desired 300 kW power Plasma generation elements 8 are each operated at 100% power and the other two are operated at 0% power. It can also be provided that at a maximum load of 400 kW, two plasma generation elements 8 are operated at 100% and one plasma generation element 8 is operated at 25% power. It can be provided that at a maximum load of 400 kW, two plasma generation elements 8 are operated with 0% and one plasma generation element 8 with 25% power in order to obtain 100 kW of desired power.
  • the multiple plasma generation elements 8 can all be designed the same, so that the statements regarding the plasma generation element 8 in this description can be applied to all plasma generation elements 8.
  • the treatment chamber 5 is connected to an exhaust gas line 41 flow s, with at least one flap 42 and/or at least one slide and/or at least one cross-sectional tapering element 43 being arranged in the exhaust gas line 41.
  • the cross-sectional tapering element 43 can be designed, for example, as a diaphragm, possibly an adjustable diaphragm with a variable diameter of the through opening.
  • At least one flap 42 or the at least one slide or the at least one cross-sectional tapering element 43 it is possible to control or regulate the volume flow of the exhaust gas that leaves the device 1 via a diverting element 44, for example a chimney.
  • the rest of the exhaust gas becomes recirculation gas and can be fed back into the process as such via the recirculation gas supply 32.
  • the portion that leaves the device 1 through the diverting element 44 can be replaced with fresh gas via the fresh gas supply 33. It is therefore possible to control and/or regulate the volume flow ratio of circulating gas/fresh gas via the control and/or regulation by means of the at least one flap 42 and/or the at least one slide and/or the at least one cross-sectional tapering element 43.
  • pressure control of the pressure in the treatment chamber 5 is also possible.
  • the treatment chamber 5 and/or the device 6 for providing a plasma has/have a feed device 45 for the introduction of solid particles that increase the thermal radiation.
  • This feed device 45 can be, for example, a nozzle, so that the solid particles can be finely distributed into the treatment chamber 5 or the plasma generating element 8 or generally the device 6.
  • the feed device 45 can also be designed differently.
  • the solid particles can be formed by graphite, a metal such as iron or copper or aluminum. Solid particles can also be used which react with the substance 2 in the treatment chamber 5, for example to form an alloy.
  • the solid particles can, for example, have an average particle size between 0.1 pm and 1000 pm.
  • a plasma can be provided which can heat a gas stream, so that the resulting hot gas stream 7 or the plasma stream itself can be used for the thermal treatment of a substance 2.
  • a gaseous fluid is introduced into at least one plasma generating element 8 of the device 6 and a plasma is generated in the plasma generating element 8.
  • the gaseous fluid is guided in the plasma generating element 8 in the form of a central gas stream 19, which is surrounded by a protective gas stream 20.
  • a further gaseous fluid is mixed into the gaseous fluid formed from the protective gas stream 20 and the central gas stream 19 in the plasma generation element 8, the temperature and/or the position of a plasma torch being optionally adjusted or regulated with the further gaseous fluid.
  • the temperature of the induction coil 10 and/or a temperature increase of the cooling liquid flowing through the cooling channel 23 of the induction coil 10 and / or a temperature change in the wall of the plasma generating element 8 is measured in the area of the hot gas outlet or plasma outlet from the plasma generating element 8. Based on this measured value, for example, the volume flow of the central gas stream 20 can be changed in the event of a temperature change.
  • the temperature can be measured using known methods. For example, at least one thermocouple can be arranged in or on the wall of the plasma generating element 8 in the area of the plasma gas outlet.
  • a temperature of the protective gas stream 20 to be measured and, based on this measured value, the volume flow of the protective gas stream 20 to be changed in the event of a temperature change and/or for a gas pressure in the plasma generating element 8 to be regulated via a change in the volume flow in the exhaust gas line 41 from a treatment chamber 5 becomes.
  • the temperature of the central gas stream 19 can be calculated and, based on this calculated value, at least one volume flow of the supplied gases, in particular the volume flow of the central gas stream 19, to be changed when the temperature changes.
  • the calculation can be carried out using the formula T ca ic x cp ca ic x the sum of the volume flows, S(Vi x Ti x cp the sum of the products from the respective volume flow times the temperature of the respective volume flow x the specific heat capacity of the respective volume flow and Pinduction the inductively introduced power.
  • the volume flows refer to the protective gas flow 20 , the central gas flow 19 and the volume flow, if any, which is supplied via the at least one further flow channel 24.
  • the temperature to be calculated can be obtained by transforming the equation accordingly.
  • One of these independent inventions is the device 6 for providing a plasma comprising at least one plasma generating element 8 with at least one inlet 46 and an outlet 47 for a gaseous fluid, wherein in the plasma generating element 8 the first flow channel 11 is arranged or formed, optionally the second flow channel 12 arranged concentrically thereto, which surrounds the first flow channel 11 at least in sections, is arranged, wherein the first flow channel 11 has a first connection 16 for a gaseous fluid to form a heated gas stream or .of a plasma flow flow s is connected.
  • the at least one inlet 46 is formed by the connection 16 for the gaseous fluid.
  • the plasma generating element 8 can also have several inlets 46, via which the further gaseous fluids can be introduced the plasma generating element 8 can be introduced. Please refer to the above statements.
  • the conveying element 34 for the gaseous fluid or several conveying elements 34 for gaseous fluids are also present or arranged.
  • the conveying element 34 is or the conveying elements 34 are fluidly connected to the inlet 46 of the plasma generating element 8.
  • the gaseous fluid conveyed by this can be accelerated or is thereby accelerated.
  • the plasma generating element 8 can be fluidly connected to the gas supply device 31, which can preferably also have the fresh gas supply 32 and/or a circulating gas supply 33 for a circulating gas.
  • the gas supply device 31 can preferably also have the fresh gas supply 32 and/or a circulating gas supply 33 for a circulating gas.
  • the conveying element 34 is arranged in a circulating gas guide for the circulating gas, which is fluidly connected to the outlet 47 of the plasma generating element 8.
  • the output of the plasma generating element 8 is not directly fluidly connected to the conveying element 34, but is at least in between Treatment chamber 5 arranged.
  • the conveying element 34 can be a jet pump 48, as shown by way of example in FIG. 8.
  • the jet pump 48 has a first gas connection 49 and a propellant connection 50 as well as an outlet 51.
  • the first gas connection 49 can be connected to the fresh gas supply 32 or preferably to the circulating gas supply (see FIG. 1), so that fresh gas or circulating gas, which comes in particular from the exhaust gas of the treatment chamber 5, can be accelerated.
  • a propellant in particular gaseous, is supplied to the propellant connection 50 under excess pressure.
  • This excess pressure is converted into speed in the jet pump 48 through a cross-sectional narrowing 52 through which the propellant has to pass. This creates a negative pressure in the first gas connection 49, which entrains and accelerates the gas supplied there.
  • any suitable blowing agent can be used, with gaseous blowing agents being preferred.
  • a fresh gas is used as the propellant, which is also supplied to the plasma generating element 8, so that the propellant connection 50 in this embodiment variant is connected to the fresh gas supply, for example via the gas supply to the device 31, as shown in FIG is shown.
  • the volume flow of the circulating gas flow is regulated with the volume flow of fresh gas that is supplied to the jet pump 48.
  • This can be done, for example, via a control element 52, which is arranged in the fresh gas supply to the jet pump, as can also be seen from FIG.
  • the control element 52 can be, for example, a flap, a slide or a valve.
  • the device 1 or the device 6 can have a regulating and / or control device 53, which receives the corresponding data from the measuring sensors the device 1 or device 6 can be provided wirelessly or wired and which can output the corresponding regulation and / or control signals, for example to change the volume flows of the process gases.
  • a controllable jet pump 48 can also be used to change or regulate the volume flows.
  • the controllable jet pump 48 can be designed with a control of the volume or quantity flow of fresh gas, which is supplied to the jet pump 48 as a propellant.
  • FIGS. 1 to 8 show a further and possibly independent embodiment of the device 6 for providing a plasma, with the same reference numbers or component names as in FIGS. 1 to 8 being used for the same parts. In order to avoid unnecessary repetitions, reference is made to the above description.
  • the inlet 46 of the plasma generating element 8 is fluidly connected to a further fresh gas supply 32.
  • a heat exchanger 54 is arranged in front of the conveying element 34 in the flow direction of the gaseous fluid, in particular the circulating gas.
  • a further heat exchanger 55 can be arranged in the further fresh gas supply 32.
  • the heat exchanger 54 and the further heat exchanger 55 can be designed according to the prior art.
  • the further heat exchanger 55 can be fluidly connected to the heat exchanger 54 in front of the conveying element 34. This can ensure that the circulating gas can be cooled in the heat exchanger 54 and the thermal energy obtained can be transferred to the fresh gas, which is supplied to the plasma generating element 8 via the further fresh gas supply 32.
  • the heat exchanger 54 in the circulation gas supply 33 can also be connected to the heat exchanger 37 of the device 1 (see FIG. 1) for the transmission of thermal energy.
  • conveying elements 34 that are less thermally resilient, such as, for example, according to an embodiment variant of the device 6, a fan or a turbine.
  • conveying elements 34 that can be used are a pump, a vacuum pump, a compressor, an injector, etc.
  • At least one filter element is arranged in front of the conveying element 34 in the flow direction in order to be able to supply a purer gas to the conveying element 34.
  • abrasive loads or blockages on the conveying element 34 and the plasma generating element 8 can be reduced or avoided.
  • FIGS. 10 and 11 Further and possibly independent embodiments of the device 1 are shown schematically in FIGS. 10 and 11, with the same reference numbers or component names as in FIGS. 1 to 9 being used for the same parts. In order to avoid unnecessary repetitions, reference is made to the above description.
  • the device 1 for the thermal treatment of the material 2 of these embodiment variants again includes the treatment chamber 5 and at least one device 6 for providing a plasma, the treatment chamber 5 having an inlet 56 and an outlet 57 for the supply and removal of a gaseous fluid into and from the Treatment chamber 5 has.
  • the outlet 57 of the treatment chamber 5 is connected to at least one heat exchanger 58 flow s, the heat exchanger 58 having an inlet 59 and an outlet 60 for the supply and removal of the gaseous fluid.
  • the gaseous fluid is preferably the exhaust gas from the treatment chamber 5, which is circulated through the device 1.
  • the heat exchanger 58 has at least one heat storage element 61.
  • the heat storage element 61 can, for example, be made of a material based on or with aluminum oxide (Al2O3), silicon dioxide (SiCF), iron (III) oxide (Fe2O3), titanium dioxide (TiCF), potassium oxide (K2O), calcium oxide (CaO), sodium oxide (Na2O ), etc., be educated.
  • the at least one heat storage element 61 serves to absorb heat from the gaseous fluid that is passed through the heat exchanger 58 and to store it for later use.
  • At least one further heat exchanger 58 is provided, which also has at least one heat storage element 61.
  • the thermal energy extracted from the process gas and stored in the heat storage element 61 can be used, for example, for another process. It can also be provided that the thermal energy extracted from the process gas when it is cooled is used as heating energy for space heating and/or water heating and/or for generating electricity.
  • the at least one heat exchanger 58 is arranged in a fluid circuit which connects the outlet 57 of the treatment chamber 5 with the inlet of the treatment chamber 56.
  • the process gas i.e. in this case the cycle gas, is used again in the process itself.
  • this is achieved by using at least two heat exchangers 58, each with at least one heat storage element 61.
  • the hot circulating gas is passed from the outlet 57 into the first heat exchanger 58.
  • this is the upper of the two heat exchangers 58.
  • the circulating gas is cooled in this first heat exchanger 58 and the thermal energy extracted is stored in its heat storage element 61.
  • the cooled cycle gas is fed into a gas conveying element 62, such as a fan or one of the aforementioned conveying elements 34.
  • a gas conveying element 62 such as a fan or one of the aforementioned conveying elements 34.
  • the outlet 60 of the first heat exchanger 58 can be fluidly connected to the gas conveying element 62.
  • the gas delivery element 62 can build up the pressure in order to guide the circulating gas through the heat exchanger 68 or in the circuit.
  • the circulating gas is mixed with a cooler fresh gas before the gas conveying element 62.
  • the fresh gas can, for example, be injected into the cooled cycle gas.
  • the fresh gas can be supplied, for example, via the gas supply device 31.
  • a supply element for supplying a cooling medium, such as the fresh gas, into the gaseous fluid can be arranged in front of the gas conveying element 62 in the flow direction of the gaseous fluid.
  • (pre)cooling of the circulating gas can also take place at another location. It is also possible for a partial flow of the circulating gas to be branched off and, if necessary, fed to separate cooling with another heat exchanger in order to avoid thermal overloading of the heat storage elements 61. It can be provided that the separately cooled partial gas stream is fed to the heat exchanger 58, i.e. to the at least one heat storage element 61, which is not heated but is (thermally) discharged.
  • a cooler fresh gas is introduced into the hot circulating gas stream before the entrance 59 or at the entrance 59, for which purpose a fresh gas supply is provided at the entrance 59 or before the entrance 59 of the heat exchanger 58 for the gaseous fluid can be arranged.
  • the gas conveying element 62 can also be arranged at another location on the device 1. After the first heat exchanger 58, the cooled cycle gas, preferably with the gas conveying element 61, reaches the second (lower) heat exchanger 58 via the inlet 59. The inlet 59 of the second heat exchanger 58 is connected directly or indirectly to the outlet 60 of the first heat exchanger 58 the gas delivery element 61 flow s connected.
  • the at least one heat storage element 61 of the second heat exchanger 58 is already heated in normal operation, i.e. not in the start-up phase of the device 1, so that the circulating gas is heated again in this second heat exchanger 58.
  • the heat storage element 61 of the second heat exchanger 58 cools down.
  • the heated cycle gas is supplied again as process gas via the outlet 60 of the second heat exchanger 58, which is fluidly connected to the inlet 56 of the treatment chamber via the plasma generating element 8. Beforehand, it is heated to the desired process temperature in the plasma generation element 8.
  • the first heat exchanger 58 reaches a critical temperature. This can be predefined, for example, by the temperature load capacity of the gas conveying element 62.
  • cycle flaps 63 or other suitable elements for changing the flow direction of the gas can change their position accordingly, so that the exhaust gas from the treatment chamber 5 is subsequently first cooled via the second (lower) heat exchanger 58 and then via the first (upper). ) Heat exchanger 58 is guided for reheating. In other words, in this cycle the second heat exchanger 58 becomes the first heat exchanger 58 and the first heat exchanger 58 becomes the second heat exchanger 58. This cycle then runs again until the critical temperature is reached again and the cycle flaps 63 change their position again.
  • the change in the position of the cycle flaps 63 or the elements mentioned is preferably carried out fully automatically.
  • a temperature sensor can be arranged in each of the heat exchangers 58, which deliver corresponding measurement signals.
  • the device 1 shown in FIG. can be acted upon from the treatment chamber 5.
  • the hot gas or the hot exhaust gas can be supplied via the upper part of the heat exchanger 58. It gives off its heat to the heat storage elements 61, i.e. the respective heat storage element 61 that is in the correct rotational position.
  • the cooled exhaust gas (circulation gas) is then fed back to the plasma generation element 8 as process gas.
  • the thermal energy reaches the also fixed lower part of the heat exchanger 58 via the heat storage elements 61 and can heat the cold fresh air supplied here. This becomes hot and the heat storage elements 61 cool down again and are available for a new load.
  • This process can be controlled via a temperature sensor, e.g. a thermocouple, in the cold exhaust gas.
  • the amount of heat stored per heat storage element 61 can be specified via the speed of the heat exchanger 58.
  • the heated fresh gas can subsequently be supplied to the plasma generating element 8.
  • восем ⁇ heat storage elements 61 are provided. However, fewer or more than eight heat storage elements 61 can also be used, for example three or four or five or six or seven or nine or ten, or significantly more than eight, such as more than 100, etc.
  • the heat storage elements 61 can be designed as a honeycomb body, as a spherical fill or generally as a fill, as a foam, as a body produced using an additive process, etc.
  • the permitted pressure loss, the space required, etc. can be specified via the shape.
  • the heat storage elements 61 can be provided with a coating, for example a catalytic coating.
  • At least a heat exchanger 58 is arranged in a fluid circuit which connects the exit 57 of the treatment chamber 5 with the entrance 56 of the treatment chamber 5.
  • a third heat exchanger 64 is arranged in the flow direction in front of the gas conveying element 62 in order to further cool the gaseous fluid after it leaves the first heat exchanger 58.
  • This third heat exchanger 64 can be designed without heat storage elements 61.
  • the exemplary embodiments show possible embodiment variants, and combinations of the individual embodiment variants with one another are also possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6) zur Bereitstellung eines Plasmas umfassend zumindest ein Plasmaerzeugungselement (8) mit einem Eingang (46) und einem Ausgang (47) für ein gasförmiges Fluid, wobei in dem Plasmaerzeugungselement (8) ein erster Strömungskanal (11) angeordnet ist, gegebenenfalls ein dazu konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal (12), der den ersten Strömungskanal (11) zumindest abschnittsweise umgibt, angeordnet ist, wobei der erste Strömungskanal (11) mit einem ersten Anschluss (16) für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms und/oder eine Plasmastroms strömungsverbunden ist, und wobei der Eingang (46) des Plasmaerzeugungselements (8) mit einem Förderelement (34) Strömung s verbunden ist, mit dem das gasförmige Fluid beschleunigbar ist.

Description

VORRICHTUNG ZUR BEREITSTELLUNG EINES PLASMAS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas umfassend zumindest ein Plasmaerzeugungselement mit einem Eingang und einem Ausgang für ein gasförmiges Fluid, wobei in dem Plasmaerzeugungselement ein erster Strömungskanal angeordnet ist, gegebenenfalls ein dazu konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal, der den ersten Strömungskanal zumindest abschnittsweise umgibt, angeordnet ist, wobei der erste Strömungskanal mit einem ersten Anschluss für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms und/oder eines Plasmastroms strömungsverbunden ist.
Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes, insbesondere eines Feststoffes, umfassend zumindest eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas für die Erzeugung eines Heißgasstromes und/oder eines Plasmastroms zum thermischen Behandeln von einem Stoff umfassend die Schritte: Zuführung eines gasförmigen Fluids in ein Plasmaerzeugungselement der Vorrichtung, Erzeugen eines Plasmas im Plasmaerzeugungselement; Bereitstellen eines heißen Fluidstroms durch das Plasma, gegebenenfalls durch Erhitzung des gasförmigen Fluids mit dem Plasma zur Herstellung eines Heißgases, wobei der heiße Fluidstrom außerhalb des Plasmaerzeugungselements auf den zu behandelnden Stoff gelenkt wird.
Der Einsatz von sogenannten Plasmabrennern unterschiedlichster Ausführungen für das Schmelzen von Substanzen, insbesondere von Metallen, ist bereits im Stand der Technik dokumentiert.
So beschreibt zum Beispiel die DE10 2020202 484 Al eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen, deren Schmelztemperatur kleiner 1000 °C ist, bei der an einem Schmelzofen eine Einrichtung zur Ausbildung eines Plasma angeordnet ist, wobei die Einrichtung an eine elektrische Spannungsversorgung und an die Einrichtung mindestens eine erste Zuführung für ein Plasmagas, mit dem das Plasma ausbildbar ist, angeschlossen ist und die Einrichtung so ausgebildet, dimensioniert, angeordnet und/oder ausgerichtet ist, dass das ausgebildete Plasma in einem Abstand zum Metall als Schmelzgut angeordnet ist, und dabei mit dem Plasma ein Heißgasstrom ausbildbar ist, der in Richtung des Schmelzguts ausgerichtet ist und zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls eine Schmelzwanne oder ein Tiegel im Schmelzofen angeordnet ist.
Aus der EP 1 433 366 Al ist ein Induktivplasmabrenner bekannt mit einem rohrförmigen Brennerkörper mit einem proximalen und einem distalen Ende, der ferner eine innere zylindrische Fläche mit einem ersten Durchmesser aufweist, einem ein Plasma einschließendes Rohr, welches aus einem Material gefertigt ist, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, welches eine axiale Kammer definiert, in der ein Hochtemperaturplasma eingeschlossen ist, und welches eine zylinderförmige äußere Fläche aufweist mit einem zweiten Durchmesser, der geringfügig kleiner ist als der erste Durchmesser, wobei das das Plasma einschließende Rohr innerhalb des rohrförmigen Brennerkörpers montiert ist und die zylinderförmigen inneren und äußeren Flächen koaxial zueinander ausgerichtet sind, um zwischen den inneren und äußeren Oberflächen eine dünne ringförmige Kammer mit gleicher Dicke zu bilden, einem Gasverteilerkopf, der am proximalen Ende des Brennerkörpers montiert ist, um mindestens eine gasförmige Substanz in die axiale Kammer einzuführen, die durch das ein Plasma einschließende Rohr definiert wird, einer Kühlfluidquelle, die mit der dünnen ringförmigen Kammer verbunden ist, um eine Kühlfluidströmung hoher Geschwindigkeit in der ringförmigen Kammer herzustellen, wobei sowohl die hohe thermische Leitfähigkeit des Materials, aus dem das das Plasma einschließende Rohr gefertigt ist, als auch die Strömung hoher Geschwindigkeit des Kühlfluids effizient zu der Wärmeübertragung von dem das Plasma einschließenden Rohr in das Kühlfluid beitragen, wodurch das das Plasma einschließende Rohr effizient gekühlt wird, einer ersten Stromversorgung mit einem höheren Frequenzausgang, einer zweiten Stromversorgung mit einem niedrigeren Frequenzausgang, die erste und zweite Anschlüsse aufweist, einer Reihe von Induktionsspulen, die am rohrförmigen Brennerkörper im Wesentlichen koaxial zum rohrförmigen Brennerkörper zwischen dem proximalen und dem distalen Ende des Brennerkörpers angeordnet sind, aufweisend eine erste Induktionsspule, die mit dem Ausgang höherer Frequenz der ersten Stromversorgung verbunden ist, um induktiv Energie an mindestens eine gasförmige Substanz anzulegen, die in die axiale Kammer gespeist wird, und eine Mehrzahl zweiter Induktionsspulen, die zwischen der ersten Induktionsspule und dem distalen Ende des rohrförmigen Brennerkörpers angeordnet sind, wobei die zweiten Induktionsspulen jeweils entsprechende Anschlüsse aufweisen, und einer Verbindung s Schaltung, die zwischen ersten und zweiten Anschlüssen des Ausgangs niedrigerer Frequenz der zweiten Stromversorgung und den Anschlüssen der zweiten Induktionsspulen angeordnet ist, um die zweiten Induktionsspulen in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen miteinander zu verbinden, um eine Eingangsimpedanz der zweiten Induktionsspulen an eine Ausgangsimpedanz der zweiten Stromversorgung anzupassen, und induktiv Energie an die mindestens eine gasförmige Substanz anzulegen, die in die axiale Kammer gespeist wird.
Die US 2004/107796 Al beschreibt ein plasmaunterstütztes Schmelzverfahren, umfassend: Bilden eines Plasmas in einem Hohlraum, indem ein erstes Gas elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von weniger als etwa 333 GHz in Gegenwart eines Plasmakatalysators ausgesetzt wird; Erhitzen eines zweiten Gases mit dem Plasma; Hinzufügen eines Feststoffs zu einem Schmelzgefäß; und Richten des erhitzten zweiten Gases auf den Feststoff, ausreichend, um den Feststoff zumindest zu schmelzen.
Aus der DE 69216970 T2 ist ein Induktionsplasmabrenner bekannt, der umfasst: einen röhrenförmigen Brennerkörper, der eine zylindrische Innenfläche mit einem ersten Durchmesser enthält; eine Plasmaeinschließungsröhre, die aus wärmeleitendem Keramikmaterial besteht und ein erstes Ende, ein zweites Ende sowie eine zylindrische Außenfläche enthält, die einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser; wobei die Plasmaeinschließungsröhre in dem röhrenförmigen Brennerkörper angebracht ist und zwischen der zylindrischen Innen- und der Außenfläche eine ringförmige Kammer bildet; einen Gasverteiler, der an dem röhrenförmigen Brennerkörper am ersten Ende der Plasmaeinschließungsröhre angebracht ist und der Plasmaeinschließungsröhre wenigstens eine gasförmige Substanz zuführt, wobei die wenigstens eine gasförmige Substanz durch die Plasmaeinschließungsröhre von ihrem ersten Ende auf ihr zweites Ende zu strömt; eine Induktionsspule, der ein elektrischer Strom zugeführt wird, um der wenigstens einen gasförmigen Substanz, die durch die Plasmaeinschließungsröhre strömt, induktiv Energie zuführen, um Plasma in der Einschließungsröhre herzustellen und zu erhalten, wobei die Induktionsspule koaxial zu der zylindrischen Innen- und der Außenfläche der ringförmigen Kammer ist; und eine Einrichtung zum Herstellen eines Stroms von Kühlfluid in der ringförmigen Kammer; wobei die Induktionsspule in dem röhrenförmigen Brennerkörper eingebettet ist, und die zylindrische Innen- und die Außenfläche maschinell bearbeitet und koaxial sind, so dass die ringförmige Kammer eine einheitliche Dicke aufweist. Die EP 3 314 989 B l beschreibt einen Induktionsplasmabrenner umfassend: einen röhrenförmigen Brennerkörper mit einem vorgelagerten Bereich und einem nachgelagerten Bereich, wobei der vorgelagerte und der nachgelagerte Bereich jeweilige innere Oberflächen definieren; und eine Plasmaeinschlussröhre, bereitgestellt innerhalb des röhrenförmigen Brennerkörpers, koaxial mit dem röhrenförmigen Brennerkörper und mit einer inneren Oberfläche von konstantem inneren Durchmesser und einer äußeren Oberfläche; und einen röhrenförmigen Einsatz, montiert an der inneren Oberfläche des nachgelagerten Bereichs des röhrenförmigen Brennerkörpers wobei der röhrenförmige Einsatz eine innere Oberfläche aufweist; und einen ringförmigen Kanal, definiert zwischen der inneren Oberfläche des vorgelagerten Bereichs des röhrenförmigen Brennerkörpers und der inneren Oberfläche des röhrenförmigen Einsatzes, und der äußeren Oberfläche der Plasmaeinschlussröhre, wobei der ringförmige Kanal konfiguriert ist, um eine Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Plasmaeinschlussröhre zu leiten; und wobei die Plasmaeinschlussröhre eine röhrenförmige Wand mit einer sich über wenigstens einen Bereich der Plasmaeinschlussröhre in eine axiale Richtung des Plasmaflusses verjüngenden Dicke aufweist.
Die EP 2 671 430 B l beschreibt einen Induktions-Plasmabrenner, Folgendes umfassend: einen rohrförmigen Brennerkörper, aufweisend eine innere Oberfläche; ein Plasmaeinschlussrohr, koaxial mit dem rohrförmigen Brennerkörper in dem rohrförmigen Brennerkörper angeordnet, wobei das Plasmaeinschlussrohr eine äußere Oberfläche aufweist; einen Gasverteilerkopf, angeordnet an einem Ende des Plasmaeinschlussrohrs und strukturiert, um mindestens eine gasförmige Substanz in das Plasmaeinschlussrohr zuzuführen; ein induktives Kopplungselement zum Aufbringen von Energie auf die gasförmige Substanz, um Plasma in dem Plasmaeinschlussrohr zu erzeugen und aufrechtzuerhalten; und eine kapazitive Abschirmung, beinhaltend eine Schicht von einem leitfähigen Material, die auf die äußere Oberfläche des Plasmaeinschlussrohrs oder die innere Oberfläche des rohrförmigen Brennerkörpers aufgebracht ist, wobei die Schicht von leitfähigem Material in axiale Streifen segmentiert sind und die axialen Streifen an einem Ende miteinander verbunden sind, und wobei das induktive Kopplungselement innerhalb des rohrförmigen Brennerkörpers eingebettet ist und axiale Nuten in der äußeren Oberfläche des Plasmaeinschlussrohrs oder der inneren Oberfläche des rohrförmigen Brennerkörpers ausgebildet sind, wobei eine der axialen Nuten zwischen einem Paar von seitlich angrenzenden axialen Streifen angeordnet ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Möglichkeit zur thermischen Behandlung von einem Stoff bereitzu stellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei der eingangs genannten Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas dadurch gelöst, dass der Eingang des Plasmaerzeugungselements mit einem Förderelement strömungsverbunden ist, mit dem das gasförmige Fluid beschleunigbar ist.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit der eingangs genannten Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes gelöst, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas aufweist.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem vorgesehen ist, dass das gasförmige Fluid vor der Zuführung in das Plasmaerzeugungselement beschleunigt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass mit der Beschleunigung die Einbringung des gasförmigen Fluids in das Plasmaerzeugungselement verbessert werden kann. Dies wiederum kann einer Überhitzung des Plasmaerzeugungselementes und/oder der Einrichtung, an der das Plasmaerzeugungselement angeordnet ist, und/oder des thermisch zu behandelnden Stoffes im Bereich des Plasmas vorbeugen. Insbesondere ist die Beschleunigung von Verteil, wenn dem Plasmaerzeugungselement ein Gemisches aus gasförmigen Fluiden, wie vorzugsweise ein Kreislaufgas und ein Frischgas zugeführt wird, da mit dem beschleunigten Gasstrom auch der jeweils andere Gasstrom „mitgerissen“ werden kann. Zudem kann aufgrund der mit der Beschleunigung gegebenenfalls einhergehenden Druckerhöhung ein Überdruck im System erzeugt werden, der das Eindringung von sauerstoffhaltigen Gasen aus der Umgebung der Vorrichtung und damit oxidative Probleme auch in der die Vorrichtung aufweisenden Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes verhindern.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Plasmaerzeugungselement mit einer Gasversorgungsvorrichtung Strömung s verbunden ist. Es kann damit eine einfachere Bereitstellung der gasförmigen Fluide bzw. eine einfachere Volumenstromregelung der Zufuhr an diesen gasförmigen Fluiden zum Plasmaerzeugungselement erreicht werden. Entsprechend einer Ausführungsvariante dazu kann die Gasversorgungsvorrichtung eine Frischgaszuführung und/oder eine Kreislaufgaszuführung für eine Kreislaufgas aufweisen, womit die Gasführungen im System vereinfacht werden können, insbesondere wenn dem Plasmaerzeugungselement gasförmiges Fluid an mehreren unterschiedlichen Stellen zugeführt wird.
Vorzugsweise ist das Förderelement nach einer Ausführungsvariante der Erfindung in einer Kreislaufgasführung für das Kreislaufgas angeordnet, die mit dem Ausgang des Plasmaerzeugungselements Strömung s verbunden ist. Nachdem der Anteil an Kreislaufgas in der Vorrichtung möglichst maximiert werden soll, um damit die Energiebilanz zu verbessern, können mit dieser Ausführungsvariante die voranstehend genannte Effekte weiter verbessert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Förderelement eine Strahlpumpe ist. Dies hat den Vorteil, dass damit das gasförmige Fluid, insbesondere das Kreislaufgas, heißer sein kann, da eine Strahlpumpe ohne bewegte Teile betrieben werden kann.
Dabei kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Strahlpumpe einen Treibmittelanschluss aufweist, der an die Frischgaszuführung angeschlossen ist. Das dem Plasmaerzeugungselement zugeführte Frischgas kann damit auch die Funktion des Treibmittels übernehmen, womit eine Kostenreduktion durch Reduzierung der benötigten Fluidmengen erreicht werden kann.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Strahlpumpe eine regelbare Strahlpumpe mit einer Regelung des Volumen- oder Mengenstroms an Frischgas ist, womit die Regelung und/oder Steuerung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas und der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes vereinfacht werden kann.
Entsprechend einer anderen Ausführungsvariante des Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Eingang des Plasmaerzeugungselements mit einer weiteren Frischgaszuführung strömungsverbunden ist. Es ist damit bei gleichbleibenden Volumenstrom an Kreislaufgas eine Reduktion des Volumenstroms an Frischgas in der Strahlpumpe erreichbar. Andererseits können damit auch andere Förderelemente für die Kreislaufführung des Kreislaufgases eingesetzt werden. Von Vorteil ist, wenn gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung in Strömungsrichtung des gasförmigen Fluids vor dem Förderelement ein Wärmetauscher angeordnet ist, da damit die Temperatur des gasförmigen Fluids reduziert werden kann und in weitere Folge auch thermisch weniger belastbare Förderelemente, wie beispielsweise ein Ventilator, eingesetzt werden können. Durch den Wärmetauscher kann zudem die damit dem gasförmigen Fluid entzogene Energie weiter verwendet werden.
Es ist auch von Vorteil, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung in der weiteren Frischgaszuführung ein weiterer Wärmetauscher angeordnet ist, sodass das Frischgas bereits mit einer höheren Temperatur in das Plasmaerzeugungselement eingebracht werden kann. Der Einsatz eines Wärmetauschers ermöglicht die Abwärme aus einem anderen Prozess zu verwenden.
Der weitere Wärmetauscher kann entsprechend einer Ausführungsvariante der Erfindung mit dem Wärmetauscher vor dem Förderelement Strömung s verbunden sein, sodass die Vorwärmung mit der Abwärme aus dem Prozess selbst erfolgen kann. Dabei ist die Entfernung zwischen den Wärmetauschern vergleichsweise gering, womit die Energiebilanz der Vorrichtung bzw. der Einrichtung nach der Erfindung verbessert werden kann.
Das Förderelement kann nach einer andern Ausführungsvariante der Erfindung auch ein Ventilator oder eine Turbine sein, womit auf die Zuführung eines Treibfluids verzichtet werden kann, gleichzeitig aber eine gute Regelbarkeit des Volumenstroms ermöglicht werden kann.
Zur Beeinflussung der Prozessbedingungen kann nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens dem gasförmigen Fluid ein weiteres gasförmiges Fluid zugemischt werden.
Das weitere gasförmige Fluid kann nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens aber auch dazu verwendet werden, die Temperatur und/oder die Eage einer Plasmafackel einzustellen oder zu regeln. Es können damit lokale Temperaturüberhöhungen minimiert und der Gesamtwärmeübergang zu verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Plasma induktiv mit zumindest einer elektrischen Induktionsspule erzeugt wird, und dass weiter die Temperatur der Induktionsspule und/oder ein Temperaturanstieg einer Kühlflüssigkeit für die Induktionsspule und/oder eine Temperaturänderung der Wandung des Plasmaerzeugungselementes im Bereich des Heißgasaustritts gemessen wird und anhand dieses Messwertes bei einer Temperaturänderung der Volumenstrom des Zentralgasstroms verändert wird. Es kann damit die Effizienz der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas verbessert werden, indem beispielsweise der Volumenstromanteil an Kreislaufgas erhöht oder reduziert wird.
Aus den voranstehenden Gründen ist es von Vorteil, wenn gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen ist, dass dieses weiter die Schritte Zuführung eines Frischgasstroms zu einer Gasversorgungsvorrichtung des Plasmaerzeugungselements, Zuführung eines Kreislaufgasstroms aus einer Behandlungskammer, in der der Stoff thermisch behandelt wird, zu der Gasversorgungsvorrichtung umfasst, wobei für die Zuführung des Kreislaufgasstromes eine Strahlpumpe verwendet wird, die mit einem Frischgasstrom als Treibgas betrieben wird.
Dabei kann nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen sein, dass der Volumenstrom des Kreislaufgasstroms mit dem Volumenstrom an Frischgas, das der Strahlpumpe zugeführt wird, geregelt wird, womit in weiterer Folge auf die Temperatur in der Behandlungskammer für den thermische zu behandelnden Stoff Einfluss genommen werden kann.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas;
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante einer Vor-richtung zur Bereitstellung eines Plasmas; Fig. 6 eine Anordnung von mehreren Plasmaerzeugungselementen;
Fig. 7 eine andere Anordnung von mehreren Plasmaerzeugungselementen;
Fig. 8 eine Strahlpumpe im Längsschnitt;
Fig. 9 einen Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas;
Fig. 10 eine Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;
Fig. 11 eine weitere Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Im Nachfolgenden werden ein erstes und ein zweites gasförmiges Fluid sowie ein weiteres gasförmiges Fluid angeführt. Dabei können diese Fluide unterschiedliche Gase oder gleiche Gase sein. Weiter können die gasförmigen Fluide Reingase oder Gasmischungen sein.
Zudem werden im Nachfolgenden die Begriffe Frischgas, Kreislaufgas, Abgas und Prozessgas (auch als Plasmagas bezeichenbar) angeführt. Das Frischgas und das Prozessgas können durch zumindest eines der im voranstehenden Absatz genannten gasförmigen Fluide gebildet sein. Das Kreislaufgas wird - wie der Name bereits sagt - in der Einrichtung nach der Erfindung im Kreislauf geführt, und wieder zur Plasmaerzeugung verwendet. Es wird daher vom Abgas wieder zum Prozessgas.
Weiter werden in dieser Beschreibung die Begriffe „heißes Fluid“ bzw. „heißer Fluidstrom“ verwendet. Diese Begriffe sind im Sinne der Beschreibung sowohl für einen Plasmastrom, der direkt auf einen zu behandelnden Stoff geleitet wird, als auch für einen Heißgasstrom, also einen Gasstrom, der mit einem Plasma erhitzt wird und der in weiterer Folge auf den zu behandelnden Stoff gelenkt wird bzw. zur thermischen Behandlung des Stoffes eingesetzt wird, verwendet.
Als gasförmige Fluide können alle zur Bildung eines Plasmas geeigneten Gase verwendet werden, wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Neon, Xenon, Luft, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, gasförmiges Wasser, oder eine Mischung aus zumindest zwei dieser Gase.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung 1 zur thermischen Behandlung (im Folgenden nur mehr als Einrichtung 1 bezeichnet) eines Stoffes 2 dargestellt.
Der Stoff 2 kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Bevorzugt ist der Stoff 2 jedoch ein Feststoff, insbesondere ein metallischer Feststoff.
Die thermische Behandlung kann das Schmelzen des Stoffes 2 oder die Temperierung des Stoffes 2, beispielsweise das Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur, oder das Erwärmen des Stoffes 2 sein. Die thermische Behandlung kann aber auch eine chemische Reaktion umfassen, die bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt wird. Diese Aufzählung an Möglichkeiten des Einsatzes der Einrichtung 2 sind nur beispielhaft zu verstehen, wobei das Schmelzen eines metallischen Feststoffes eine der bevorzugten Anwendungen ist.
Da die Einsatzgebiete der Einrichtung 1 unterschiedlich sind, ist auch die schematische Darstellung in Fig. 1 nicht beschränkend, sondern nur die Erfindung verdeutlichend zu verstehen.
Die Einrichtung 1 umfasst eine Aufnahme 3 für den Stoff 2. Die Aufnahme 3 kann durch einen gesonderten Behälter gebildet sein, in der sich der Stoff 2 befindet. Im Falle eines Gases bzw. generell kann die Aufnahme 3 aber auch nur ein Gehäuse 4 einer Behandlungskammer 5 bzw. eine Kammer der Behandlungskammer 5 sein, in der sich der Stoff 2 für die thermische Behandlung befindet. Der genannten gesonderte Behälter ist, falls vorhanden, ebenfalls in der Behandlungskammer 5 angeordnet.
Nur der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass in der Behandlungskammer 5 auch mehr als eine Aufnahme 3 für den Stoff 2 angeordnet sein kann, wobei in den Aufnahmen 3 auch unterschiedliche Stoffe 2 aufgenommen sein können, beispielsweise um eine chemische Reaktion durchzuführen. Weiter umfasst die Einrichtung 1 eine Vorrichtung 6 zur Bereitstellung eines Plasmas (im Folgenden nur mehr als Vorrichtung 6 bezeichnet), mit dem die thermische Energie für die thermische Behandlung des Stoffes 2 bereitgestellt wird. Die Vorrichtung 6 ist derart am Gehäuse 4 der Behandlungskammer 5 angeordnet, dass sich eine Plasmafackel bzw. ein Plasmastrom bzw. ein Heißgasstrom 7, der mit dem Plasma aus dem Prozessgas erzeugt wird, in die bzw. in Richtung auf die Behandlungskammer 5 erstreckt.
Für weitere Bestandteile der Einrichtung 1, die im Nachfolgenden nicht erwähnt oder ausgeführt werden, sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Die Vorrichtung 6 umfasst zumindest ein Plasmaerzeugungselement 8.
Eine Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 (auch als Plasmabrenner bezei- chenbar) ist in Fig. 2 ausschnittsweise im Längsschnitt dargestellt.
Das Plasmaerzeugungselements 8 weist einen Elementkörper 9 (auch als Brennerkörper be- zeichenbar) auf. Im bzw. am Elementkörper 9 ist zumindest eine elektrische Induktionsspule 10 für die Plasmaerzeugung angeordnet. Es können auch mehrere Induktionsspulen 10 eingesetzt werden, die gegebenenfalls unabhängig voneinander regel- und/oder steuerbar ausgeführt sein können. Die mehreren Induktionsspulen 10 können in Strömungsrichtung des/der gasförmigen Fluids/Fluide hintereinander angeordnet sein.
Die Plasmaerzeugung kann auch anders erfolgen, beispielsweise mittels eines Magnetrons oder generell mit Mikrowellen (beispielsweise mittels eines Solid State Mikrowellengenerators erzeugt) oder mittels zweier Elektroden, etc.
Weiter sind im Elementkörper 9 ein erster Strömungskanal 11 für ein erstes gasförmiges Fluid und ein konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal 12 für ein zweites gasförmiges Fluid angeordnet. Der erste Strömungskanal 11 ist zumindest abschnittsweise, beispielsweise im Bereich oberhalb oder einem Teilbereich der Anordnung der Induktionsspule 10 innerhalb des zweiten Strömungskanals 12 angeordnet. Der erste und der zweite Strömungskanal 11, 11 können rohrförmig ausgebildet sein, beispielsweise mit kreisförmigem Querschnitt. Der erste und/oder der zweite Strömungskanal 11, 11 können beispielsweise aus einem Quarzglasrohr oder einem Aluminiumoxidrohr oder einem Bomitridrohr, etc., gebildet sein. Der zweite Strömungskanal 12 kann in einem Abstand 13 von einer Oberfläche 14 des Elementkörpers 9 (insbesondere jener Oberfläche 9, hinter der die Induktionsspule 10 angeordnet ist) angeordnet sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0 mm bis 30 mm, insbesondere von 0 mm bis 20 mm.
Der erste Strömungskanal 11 kann in einem radialen Abstand 15 zum zweien Strömungskanal 12 angeordnet sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,1 mm bis 40 mm, insbesondere 0,4 mm bis 30 mm. Über den Abstand kann u.a. auch die Geschwindigkeit des Schutzgasstroms 20 eingestellt werden.
Der erste Strömungskanal 11 weist einen ersten Anschluss 16, d.h. eine erste Zuführung, für das erste gasförmige Fluid und der zweite Strömungskanal 12 weist einen zweiten Anschluss 17, d.h. eine zweite Zuführung, für das zweite gasförmige Fluid auf. Wie aus Fig. 2 ersichtlich können der erste und der zweite Anschluss 16, 17 von einer gemeinsamen Zufuhrleitung 18 für die gasförmigen Fluide gespeist werden. Es können aber auch völlige voneinander ge- trennte/unabhängige Zuführungen für das erste und zweite gasförmige Fluid vorhanden sein.
Über den ersten Anschluss 16 wird das erste gasförmige Fluid dem ersten Strömungskanal 11 zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms (Zentralgasstrom 19) zugeführt. Über den zweiten Anschluss 17 wird das zweite gasförmige Fluid dem zweiten Strömungskanal 12 zugeführt, der einen Schutzvolumenstrom (Schutzgasstrom 20) zwischen der Oberfläche 14 des Plasmaerzeugungselements 8, d.h. des Elementkörpers 9, und dem erhitzten Gasstrom bzw. dem Plasmastrom bildet. Beide Gasströme, also der Zentralgasstrom 19 und der Schutzgasstrom 20, verlassen das Plasmaerzeugungselement 8 gemeinsam über einen Ausgang 21, d.h. eine Ausströmöffnung, um für die thermische Behandlung des Stoffes 2 zur Verfügung zu stehen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung des Plasmaerzeugungselements 8 in Fig. 2 beispielhaften Charakter hat. Die jeweils konkrete Anordnung der einzelnen Elemente im Plasmaerzeugungselement 8 kann auch anders ausgeführt sein, solange die Funktionalität erhalten bleibt.
In Fig. 3 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des
Plasmaerzeugungselements 8 im Eängsschnitt und schematisiert gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die voranstehende Beschreibung dazu hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, endet der erste Strömungskanal 11 beabstandet vom Ausgang 21 des Plasmaerzeugungselements 8, wodurch u.a. die Wirkung der Induktionsspule 10 auf den Zentralgasstrom 19 verbessert werden kann. Der jeweils konkrete Abstand zum Ausgang 21 richtet sich nach der jeweiligen konstruktiven Ausführung des Plasmaerzeugungselements 8.
Weiter ist zu ersehen, dass für den zweiten Strömungskanal 12 kein gesondertes Kanalelement (Rohr) verwendet wird, sondern dass entsprechend einer Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 der zweite Strömungskanal 12 nach außen von der Oberfläche 14 des Elementkörpers 9 des Plasmaerzeugungselements 8 begrenzt ist, also durch das Plasmaerzeugungselement 8 selbst gebildet ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der zweite Strömungskanal 12 zwar durch ein eigenes Kanalelement 22 gebildet ist, wie dies bei der Ausführungsvariante nach Fig. 2 der Fall ist und in Fig. 3 strichliert dargestellt ist, aber dies Kanalelement 22 unmittelbar an der Oberfläche 14 des Elementkörpers 9 anliegend angeordnet ist. Gegebenenfalls kann dieses Kanalelement 22 auch als Beschichtung der Oberfläche 14 des Elementkörpers 9 gebildet sein. Die Beschichtung kann beispielsweise zumindest teilweise aus Silber, Gold, Aluminium, etc., gebildet sein. Selbstverständlich ist auch bei der Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 nach Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigte be- abstandete Anordnung des Kanalelements 22 möglich.
Aus Fig. 3 ist auch zu ersehen, dass die Induktionsspule 10 mit geringem Abstand zur Oberfläche 14 des Elementkörpers 9 angeordnet sein können. Zudem ist aus Fig. 3 zu ersehen, dass die Induktionsspule 10 gekühlt ausgeführt sein kann, wozu diese einen Kühlkanal 23 aufweisen kann. Als Kühlmedium, das durch den Kühlkanal 23 fließen kann, kann z.B. Wasser, ein Kühlöl, etc., eingesetzt werden.
Bei der Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 nach Fig. 3 ist vorgesehen, dass im Plasmaerzeugungselement 8 zumindest ein weiterer Strömungskanal 24 angeordnet bzw. ausgebildet ist. Beispielsweise kann der weitere Strömungskanal 24 im Elementkörper 9 des Plasmaerzeugungselements 8 ausgebildet sein. Der weitere Strömungskanal 24 ist mit einem weiteren Anschluss 25 für ein weiteres gasförmiges Fluid Strömung s verbunden. Gegebenenfalls kann der weitere Anschluss 25 auch mit der Zufuhrleitung 18 (siehe Fig. 2) verbunden sein, sodass alle drei gasförmigen Fluide gleich zusammengesetzt sind. Es ist jedoch auch ein völlig eigenständige, von den Zuführungen des ersten und zweiten gasförmigen Fluids unabhängige Zuführung des weiteren gasförmigen Fluids möglich.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist der weitere Strömungskanal 24 schräg verlaufend zum ersten Strömungskanal 11 und zum zweiten Strömungskanal 12 ausgebildet, wobei ein Winkel 26 zwischen den Strömungskanälen 11 bzw. 12 und 24 so ausgebildet ist, dass eine Strömungsrichtung eines durch das dritte Fluid gebildeten Gasstroms, insbesondere eines Kühlgasstroms 27, in Richtung Mitte bzw. in Richtung einer Eängsmittelachse 28 verläuft.
In Fig. 3 verläuft der weitere Strömungskanal 24 über seine gesamte Fänge im Plasmaerzeugungselement 8, d.h. im Elementkörper 9, mit gleichem Neigungswinkel. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur ein Endabschnitt mit dem Winkel 26 schräg verlaufend ausgebildet ist. Der Endabschnitt beginnt dabei an einer Auslassöffnung 29 des weiteren Strömungskanals 24 im Plasmaerzeugungselement 8. Der weitere Strömungskanal 24 kann daher über seine Länge betrachtet mit unterschiedlichen Schrägungs winkeln ausgebildet sein bzw. kann der weitere Strömungskanal 24 auch eine kurvenförmigen Verlauf aufweisen.
Der weitere Strömungskanal 24 ermöglicht die Zuführung des weiteren gasförmigen Fluids zur Veränderung der Temperatur des aus dem Schutzgasstrom 20 und dem Zentralgasstrom 19 gebildeten Heißgasstroms 7 bzw. Plasmastroms. Gegebenenfalls kann damit auch die Lage des Heißgasstroms 7 bzw. des Plasmastroms bzw. der Plasmafackel verändert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 kann der Winkel 26, den zumindest der Endabschnitt des weiteren Strömungskanals 24 mit dem ersten und zweiten Strömungskanal 11, 12 einschließt, ausgewählt sein aus einem Bereich von 10 0 und 80 °, insbesondere aus einem Bereich von 15 0 bis 70 °. Beispielsweise kann der Winkel 26 20 0 oder 30 0 oder 40 0 oder 45 0 oder 50 0 oder 60 0 betragen.
Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, dass nur ein einziger weiterer Strömungskanal 24 ausgebildet ist. Wie die Fig. 4 zeigt, die eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 im Querschnitt zeigt, können mehrere weitere Strömungskanäle 24 vorgesehen sein, beispielsweise vier oder nur zwei oder drei oder mehr als vier, beispielsweise fünf oder sechs, etc. Die mehreren weiteren Strömungskanäle 24 sind entlang eines Kreisumfanges (bzw. Umfanges), der durch den zweiten Strömungskanal 12 definiert ist, verteilt angeordnet, insbesondere gleichmäßig verteilt oder symmetrisch verteilt. Zwischen den einzelnen weiteren Strömungskanälen 24 können Stege 30 des Elementkörpers 9 ausgebildet sein.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass auch der zweite Strömungskanal 12 auf mehrere zweite Strömungskanäle 12 aufgeteilt sein kann, die über den Umfang des ersten Strömungskanals 11 verteilt angeordnet sind.
Jeder der mehreren weiteren Strömungskanäle 24 erstreckt sich - wie dies in Fig. 4 dargestellt ist - über ein Kreisringsegment (bzw. einen Kreisringabschnitt). Die Kreisringsegmente können gemäß einer Ausführungsvariante des Plasmaerzeugungselements 8 ausgewählt sein aus einem Bereich von 2 0 bis 88 °. Beispielsweise können sich die Kreisringsegmente über einen Bereich von 10 0 bis 80 0 oder einen Bereich von 20 0 bis 70 °, erstrecken. Ein einzelnes Kreisringsegment kann sich aber auch über einen Bereich von 10 0 bis 358 0 erstrecken. Generell können sich Kreisringsegmente über einen Bereich von 2 0 bis zu einem Wert, der durch 360 “/Anzahl der Kreisringsegmente - 1 0 definiert ist, insbesondere bis zu einem Wert, der durch 360 “/Anzahl der Kreisringsegmente - 5 ° definiert ist, erstrecken.
Die mehreren Kreisringsegmente können alle eine gleiche Länge in Umfangsrichtung aufweisen. Zumindest eines der Kreisringsegmente kann aber auch eine zu den anderen Kreisringsegmenten unterschiedliche Länge in Umfangsrichtung aufweisen.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, besteht nach einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 die Möglichkeit, dass diese eine Gasversorgungsvorrichtung 31 aufweist. Es besteht dabei die Möglichkeit, dass das Plasmaerzeugungselement 8 nicht nur mit dem ersten gasförmigen Fluid, sondern auch mit dem zweiten und dem weiteren gasförmigen Fluid von der Gasversorgungsvorrichtung 31 versorgt wird, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist.
Dazu können der erste Anschluss 16 für das erste gasförmige Fluid und der zweite Anschluss 17 für das zweite gasförmige Fluid und/oder der weitere Anschluss 25 für das weitere gasförmige Fluid mit der Gasversorgungsvorrichtung 31 Strömung s verbunden sein.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass einige oder jeder der Anschlüsse 16, 17 und 25 mit einer eigenen Gasversorgungsvorrichtung 31 strömungsverbunden ist. Somit können der erste Anschluss 16 für das erste gasförmige Fluid und der zweite Anschluss 17 für das zweite gasförmige Fluid und der weitere Anschluss 25 für das weitere gasförmige Fluid jeweils mit dem gleichen gasförmigen Fluid oder zumindest zwei davon oder alle mit unterschiedlichen gasförmigen Fluiden beaufschlagt werden bzw. sein. Beispielsweise können der erste Anschluss 16 mit einem Frischgas und der zweite Anschluss 17 und/oder der weitere Anschluss 25 mit einem Kreislaufgas beaufschlagt sein. Demzufolge kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 vorgesehen sein, dass in die Gasversorgungsvorrichtung 31 zur Bereitstellung zumindest eines Anteils zumindest eines der gasförmigen Fluide zumindest eine Frischgaszuführung 32 und zumindest eine Kreislaufgaszuführung 33 münden, wie dies in Fig. 1 strichliert dargestellt ist. Dabei ist die Kreislaufgaszuführung mit der Einrichtung 1 zur thermischen Behandlung des Stoffes 2, insbesondere einem Ofen, verbindbar, in die das mit dem Plasmaerzeugungselement 8 erzeugte Heißgas bzw. Plasma einleitbar ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 kann vorgesehen sein, dass das Kreislaufgas direkt, ohne den Umweg über die Gasversorgungsvorrichtung 31, in das Plasmaerzeugungselement 8 eingeleitet wird, wie dies in Fig. 1 in vollen Linien dargestellt ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 kann vorgesehen sein, dass in der Kreislaufgaszuführung zumindest ein Förderelement 34, beispielsweise eine Strahlpumpe, für das Kreislaufgas angeordnet ist. Bezüglich des Förderelements 34 sei auch auf nachstehende Ausführungen verwiesen.
Es kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 vorgesehen sein, dass das Plasmaerzeugungselement 8 einen Anschluss 35 für ein Zündgas 36, beispielsweise Argon, aufweist, um damit die Entstehung des Plasmas zu verbessern bzw. zu beschleunigen bzw. um auch weniger geeignete Gase für die Bereitstellung des Plasmas in die Vorrichtung 6 einspeisen zu können.
Es kann nach einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 auch vorgesehen sein, dass in der Frischgaszuführung 32 zumindest ein Wärmetauscher 37 zur Erwärmung des neu zugeführten gasförmigen Fluids (des Frischgases) angeordnet ist. Der Wärmetauscher kann dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass in Fig. 1 die Frischgaszuführung 32 an die Gasversorgungsvorrichtung 31 angeschlossen ist. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass alternativ oder zusätzlich dazu die Frischgaszuführung 32 direkt an das Plasmaerzeugungselement 8 angeschlossen ist, wie dies in Fig. 1 strichliert dargestellt ist.
In Fig. 5 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des Plasmaerzeugungselements 8 im Eängsschnitt und schematisiert gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den Fig. 1 bis 4 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die voranstehende Beschreibung dazu hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Bei dieser Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 bzw. des Plasmaerzeugungselements 8 ist vorgesehen, dass der erste Strömungskanal 11 innen und/oder der zweite Strömungskanal 12 innen eine reflektierende Beschichtung 38 aufweist/aufweisen. Diese Beschichtung 38 kann sich über die gesamte Fänge oder nur einen Teilbereich der Länge des ersten Strömungskanals 11 und/oder des zweiten Strömungskanals 12 erstrecken, beispielsweise nur in einem Anfangsbereich oder einen Endbereich und/oder einen Mittenbereich des ersten Strömungskanals 11 und/oder des zweiten Strömungskanals 12 erstrecken. Die Beschichtung 38 kann auch aus unterschiedlich zusammengesetzten Abschnitten bestehen, um damit der Temperaturverteilung im Plasmaerzeugungselement 8 besser zu entsprechen, da die Strahlungsmaxima entsprechend der Temperatur bei unterschiedlichen Wellenlängen auftreten. So verschieben sich die Strahlungsmaxima bei höheren Temperaturen zu kürzeren Wellenlängen. Auf diese Weise kann der jeweiligen Wellenlänge bzw. dem Wellenlängenbereich entsprechend ein Werkstoff für Beschichtungsabschnitte ausgewählt werden, der beim jeweiligen Maximum der Strahlung besonders effektiv ist. Beispielsweise kann bei kürzeren Wellenlängen eine Beschichtung aus Aluminium effektiver sein als eine aus Gold oder Silber. Bei längeren Wellenlängen kann dies genau umgekehrt sein.
Die Beschichtung 38 kann beispielsweise metallisch ausgeführt sein. Z.B. kann die Beschichtung 38 durch Silber, Gold, Platin, Aluminium, oder eine Legierung mit zumindest einem dieser Metalle gebildet sein. Es ist damit u.a. möglich, die Quantität der reflektierten Strahlung und/oder den Wellenlängenbereich der reflektierten Strahlung einzustellen bzw. zu verändern bzw. zu erhöhen. Insbesondere kann auch über Legierungen bzw. Legierungselemente der Wellenlängenbereich der reflektierten Strahlung auf Wellenlängen von kleiner 500 nm bzw. kleiner 200 nm abgedeckt werden, um den Anteil an reflektierter Strahlung in diesem Wellenlängenbereich zu erhöhen.
Neben der umfänglich vollflächigen Ausführung der Beschichtung 38 besteht gemäß einer Ausführungsvariante dazu auch die Möglichkeit, diese streifenförmig oder spaltenförmig auszubilden, wie dies in Fig. 5 anhand der strichliert dargestellten Streifen 39 angedeutet ist. Die Streifen 39 können eine Breite in Umfangsrichtung des ersten Strömungskanals 11 bzw. des zweiten Strömungskanals 12 aufweisen, der ausgewählt ist aus einem Bereich zwischen 0,1 % und 20 %, insbesondere zwischen 1 % und 10 %, des Umfanges des ersten Strömungskanals 11 bzw. des zweiten Strömungskanals 12.
Die Streifen 39 können in einem Abstand 40 zueinander angeordnet sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich zwischen 0,1 % und 20 %, insbesondere zwischen 1 % und 10 %, des Umfanges des ersten Strömungskanals 11 bzw. des zweiten Strömungskanals 12.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass nur ein Teilbereich des Umfanges oder der gesamte Umfang mit zueinander beabstandeten Streifen 39 des ersten Strömungskanals 11 bzw. des zweiten Strömungskanals 12 versehen ist.
Die Streifen 39 können alle aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Sie können aber auch aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, beispielswiese können Streifen 39 aus unterschiedlich stark reflektierenden Metallen in einem Plasmaerzeugungselement 8 miteinander kombiniert werden. Unterschiedliche Werkstoffe können auch bei der durchgehenden Beschichtung 38 vorgesehen werden, indem diese abschnittsweise aus verschiedenen Werkstoffen gebildet wird, wie dies voranstehend ausgeführt wurde.
Die Streifen 39 weisen eine Läng ser Streckung in Richtung der Längsmittelachse 28 durch den ersten Strömungskanal 11 auf. Nach einer Ausführungsvariante dazu kann die Streifenform der Beschichtung 38 auch durch eine oder mehrere schraubenförmige Ausbildung(en) erreicht werden, wobei auch hier wiederum Abstände zwischen den beschichteten Abschnitten ausgebildet sein können (z.B. in Form eines schraubenfömigen, unbeschichteten Abschnitts).
Die Streifen 39 können als Beschichtung 38 ausgeführt sein. Sie können aber auch als gesonderte Bauteile hergestellt und nachträglich mit dem ersten Strömungskanal 11 bzw. dem zweiten Strömungskanal 12 verbunden werden. Gleiches gilt für die Beschichtung 38 an sich, indem diese als Rohr hergestellt wird und dieses in den ersten Strömungskanal 11 bzw. den zweiten Strömungskanal 12 eingesetzt wird. Zudem besteht die Möglichkeit, dass der erste Strömungskanal 11 bzw. der zweite Strömungskanal 12 aus einem entsprechend reflektierenden Material bzw. mit einer entsprechend reflektierenden Oberfläche, z.B. aufgrund einer ausgebildeten Oberflächenstrukturierung, hergestellt wird.
In den Fig. 6 und 7 sind weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsformen der Vorrichtung 6 schematisiert und ausschnittsweise gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den Fig. 1 bis 5 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die voranstehende Beschreibung dazu hingewiesen bzw. Bezug genommen.
In den voranstehenden Ausführungen zur Vorrichtung 6 wies diese immer nur ein Plasmaerzeugungselement 8 auf. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass in der Vorrichtung 6 mehrere Plasmaerzeugungselemente 8 angeordnet werden. Dazu sind in den Fig. 6 und 7 Ausführungsvarianten mit drei bzw. fünf Plasmaerzeugungselementen 8 als Beispiele dargestellt. Es können auch nur zwei oder vier oder mehr als fünf, beispielsweise sechs, etc., Plasmaerzeugungselemente 8 in einer Vorrichtung 6 angeordnet sein.
Die Plasmaerzeugungselemente 8 können alle die gleiche Heizleistung oder eine unterschiedliche Heizleistung aufweisen, wie dies in den Fig. 6 und 7 mit unterschiedliche großen Ausführungen der Plasmaerzeugungselemente 8 angedeutet ist. Es sei auch dazu wieder darauf hingewiesen, dass die konkreten Darstellungen als Beispiele verstanden werden sollen. Es sind auch andere Ausführungen möglich, wie beispielsweise drei Plasmaerzeugungselemente 8 mit einer gleich großen Heizleistung und ein Plasmaerzeugungselement 8 mit einer verglichen dazu geringeren Heizleistung, um z.B. Spitzenlasten mit diesem „kleineren“ Plasmaerzeugungselement 8 ausgleichen zu können.
Beispielsweise kann bei drei Plasmaerzeugungselementen 8 mit je 300 kW maximaler Leistung (bei drei Leistungseinspeisungen in das gasförmige Fluid) vorgesehen sein, dass bei gewünschten 900 kW Leistung die Plasmaerzeugungselemente 8 mit 100 % Leistung (je 300 kW) betrieben werden, oder dass bei gewünschten 700 kW Leistung die Plasmaerzeugungselemente 8 mit je 78 % Leistung betrieben werden, oder dass bei gewünschten 600 kW Leistung zwei Plasmaerzeugungselemente 8 mit je 100 % Leistung und das dritte mit 0 % Leistung betrieben werden, oder dass bei gewünschten 300 kW Leistung ein Plasmaerzeugungselemente 8 mit je 100 % Leistung und die beiden anderen mit 0 % Leistung betrieben werden. Es kann auch vorgesehen werden, dass bei einer Maximallast von 400 kW zwei Plasmaerzeugungselemente 8 mit 100 % und ein Plasmaerzeugungselement 8 mit 25 % Leistung betrieben werden. Es kann vorgesehen werden, dass bei einer Maximallast von 400 kW zwei Plasmaerzeugungselemente 8 mit 0 % und ein Plasmaerzeugungselement 8 mit 25 % Leistung betrieben werden um 100 kW gewünschte Leistung zu erhalten.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Beispiele nur der Verdeutlichung dienen und keinen einschränkenden Charakter haben.
Die mehreren Plasmaerzeugungselemente 8 können alle gleich ausgeführt sein, sodass die Ausführungen zum Plasmaerzeugungselement 8 in dieser Beschreibung auf alle Plasmaerzeugungselemente 8 angewandt werden können.
Nach einer Ausführungsvariante der Einrichtung 1 kann vorgesehen sein, dass die Behandlungskammer 5 mit einer Abgasleitung 41 Strömung s verbunden ist, wobei in der Abgasleitung 41 zumindest eine Klappe 42 und/oder zumindest ein Schieber und/oder zumindest ein Quer- schnittsverjüngungselement 43 angeordnet ist/sind. Das Querschnittsverjüngungselement 43 kann beispielsweise als Blende, gegebenenfalls verstellbare Blende mit veränderlichem Durchmesser der Durchgangsöffnung, ausgebildet sein.
Mit der zumindest einen Klappe 42 bzw. dem zumindest einem Schieber bzw. dem zumindest einen Querschnittsverjüngungselement 43 ist es möglich, den Volumenstrom des Abgases zur steuern bzw. zu regeln, der die Einrichtung 1 über ein Ableitelement 44, z.B. einen Kamin, verlässt.
Der Rest des Abgases wird zum Kreislaufgas und kann dem Prozess als solches über die Kreislaufgaszuführung 32 wieder zugeführt werden. Der Anteil, der durch das Ableitelement 44 die Einrichtung 1 verlässt, kann mit Frischgas über die Frischgaszuführung 33 ersetzt werden. Es ist also über die Steuerung und/oder Regelung mittels der zumindest einen Klappe 42 und/oder dem zumindest einen Schieber und/oder dem zumindest einen Querschnittsverjüngungselement 43 eine Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromverhältnisses an Kreislaufgas/Frischgas möglich. Weiter ist damit auch eine Druckregelung des Drucks in der Behandlungskammer 5 möglich. Nach einer weiteren, ebenfalls in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante der Einrichtung 1 kann vorgesehen sein, dass die Behandlungskammer 5 und/oder die Vorrichtung 6 zur Bereitstellung eines Plasmas eine Zufuhrvorrichtung 45 für das Einbringen von die thermische Strahlung erhöhenden Feststoffpartikeln aufweist/aufweisen. Diese Zufuhrvorrichtung 45 kann beispielsweise ein Düse sein, sodass die Feststoffpartikel fein verteilt in die Behandlungskammer 5 oder das Plasmaerzeugungselement 8 bzw. generell die Vorrichtung 6 erfolgen kann. Die Zufuhrvorrichtung 45 kann auch anders ausgebildet sein.
Die Feststoffpartikel können durch Graphit, ein Metall, wie z.B. Eisen oder Kupfer oder Aluminium, gebildet sein. Es können auch Feststoffpartikel eingesetzt werden, die mit dem Stoff 2 in der Behandlungskammer 5 reagieren, beispielsweise um eine Legierung zu bilden. Die Feststoffpartikel können beispielsweise eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen 0,1 pm und 1000 pm aufweisen.
Mit der Vorrichtung 6 kann ein Plasma bereitgestellt werden, das einen Gas ström erhitzen kann, sodass der dadurch entstehende Heißgasstrom 7 oder auch der Plasmastrom an sich zur thermischen Behandlung eines Stoffes 2 eingesetzt werden kann. Dazu wird ein gasförmiges Fluid in zumindest ein Plasmaerzeugungselement 8 der Vorrichtung 6 eingebracht und in dem Plasmaerzeugungselement 8 ein Plasma erzeugt. Zum besseren Schutz des Plasmaerzeugungselements 8 ist vorgesehen, dass das gasförmige Fluid im Plasmaerzeugungselement 8 in Form eines Zentralgasstroms 19, der von einer Schutzgasstrom 20 umgeben ist, geführt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass dem aus dem Schutzgasstrom 20 und dem Zentralgasstrom 19 gebildeten gasförmigen Fluid im Plasmaerzeugungselement 8 ein weiteres gasförmiges Fluid zugemischt wird, wobei gegebenenfalls mit dem weiteren gasförmigen Fluid die Temperatur und/oder die Lage einer Plasmafackel eingestellt oder geregelt wird.
Zur Regelung und/oder Steuerung der Einrichtung 1 bzw. der Vorrichtung 6, insbesondere der Volumenströme der gasförmigen Fluide, kann nach Ausführungsvarianten vorgesehen sein, dass die Temperatur der Induktionsspule 10 und/oder ein Temperaturanstieg der durch den Kühlkanal 23 der Induktionsspule 10 fließenden Kühlflüssigkeit und/oder eine Temperaturänderung der Wandung des Plasmaerzeugungselementes 8 im Bereich des Heißgasaustritts oder Plasmaaustritts aus dem Plasmaerzeugungselement 8 gemessen wird. Anhand dieses Messwertes kann bei einer Temperaturänderung beispielsweise der Volumenstrom des Zentralgasstroms 20 verändert werden. Die Messung der Temperatur kann mit bekannten Methoden erfolgen. Beispielsweise kann zumindest ein Thermoelement in oder an der Wandung des Plasmaerzeugungselementes 8 im Bereich des Plasmagasaustritts angeordnet sein.
Es ist weiter möglich, dass eine Temperatur des Schutzgasstroms 20 gemessen wird und anhand dieses Messwertes bei einer Temperaturänderung der Volumenstrom des Schutzgasstroms 20 verändert wird und/oder dass ein Gasdruck im Plasmaerzeugungselement 8 über eine Veränderung des Volumenstroms in der Abgasleitung 41 aus einer Behandlungskammer 5 geregelt wird.
Weiter ist es möglich, dass die Temperatur des Zentralgasstroms 19 berechnet wird, und anhand dieses berechneten Wertes bei einer Temperaturänderung zumindest ein Volumenstrom der zugeführten Gase, insbesondere der Volumenstrom des Zentralgasstroms 19, verändert wird. Dazu kann die Berechnung mit der Formel Tcaic x cpcaic x XVi = S(Vi XTi x cp + Pinduk- tion erfolgen. Hierin bedeuten Tcaic die berechnete Temperatur, cpcaic die berechnete spezifische Wärmekapazität des heißen Fluids, EVi die Summe der Volumenströme, S(Vi x Ti x cp die Summe der Produkte aus dem jeweiligen Volumenstrom mal der Temperatur des jeweiligen Volumenstroms x der spezifischen Wärmekapazität des jeweiligen Volumenstroms und Pinduk- tion die induktiv eingebrachte Eeistung. Die Volumenströme beziehen sich auf den Schutzgasstrom 20, den Zentralgasstrom 19 und den gegebenenfalls vorhandenen Volumenstrom, der über den zumindest einen weiteren Strömungskanal 24 zugeführt wird. Die zu berechnende Temperatur kann durch entsprechende Umformung der Gleichung erhalten werden.
Es ist aber auch möglich, die Temperatur des Zentralgasstroms 19 zu messen, insbesondere berührungslos zu messen, beispielsweise mit einem Pyrometer.
Merkmale der nachfolgenden Ausführungen können für sich oder in Kombination mit Merkmalen der voranstehenden Ausführungen eine eigenständige Erfindung bilden. Insbesondere ist für nachfolgende Ausführungsvarianten der Vorrichtung 6 bzw. der Einrichtung 1 die Aufteilung das gasförmigen Fluids auf den Zentralgasstrom 19 und einen Schutzgasstrom 20 nicht zwingend erforderlich.
Eine dieser eigenständigen Erfindungen ist die Vorrichtung 6 zur Bereitstellung eines Plasmas umfassend zumindest ein Plasmaerzeugungselement 8 mit zumindest einem Eingang 46 und einem Ausgang 47 für ein gasförmiges Fluid, wobei in dem Plasmaerzeugungselement 8 der erste Strömungskanal 11 angeordnet bzw. ausgebildet ist, gegebenenfalls der dazu konzentrisch angeordnete zweite Strömungskanal 12, der den ersten Strömungskanal 11 zumindest abschnittsweise umgibt, angeordnet ist, wobei der erste Strömungskanal 11 den einen ersten Anschluss 16 für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms bzw. eines Plasmastroms Strömung s verbunden ist. Der zumindest eine Eingang 46 wird durch den Anschluss 16 für das gasförmige Fluid gebildet. Nachdem mehrere gasförmige Fluide in das Plasmaerzeugungselement 8 eingeleitet werden können, wie dies voranstehend ausgeführt wurde und dies auch die bevorzugte Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 bzw. des Plasmaerzeugungselements 8 ist, kann das Plasmaerzeugungselement 8 auch mehrere Eingänge 46 aufweisen, über die die weiteren gasförmigen Fluide in das Plasmaerzeugungselement 8 eingebracht werden können. Es sei dazu auf voranstehende Ausführungen verwiesen.
Bei dieser Ausführungsvariante ist ebenfalls das Förderelement 34 für das gasförmige Fluid bzw. sind mehrere Förderelemente 34 für gasförmige Fluide vorhanden bzw. angeordnet. Das Förderelement 34 ist bzw. die Förderelemente 34 sind mit dem Eingang 46 des Plasmaerzeugungselements 8 strömungsverbunden.
Im Folgenden wird nur mehr auf ein Förderelemente 34 näher eingegangen. Sofern mehrere Förderelemente 34 vorhanden sind, können einige davon oder alle Förderelemente 34 gleich ausgebildet sein, sodass die nachstehenden Ausführungen auch auf diese Förderelemente 34 übertragen werden können.
Mit dem Förderelement 34 ist das durch dieses geförderte gasförmige Fluid beschleunigbar bzw. wird damit beschleunigt.
Gemäß Ausführungsvarianten kann das Plasmaerzeugungselement 8 mit der Gasversorgungsvorrichtung 31 strömungsverbunden sein, die vorzugsweise auch die Frischgaszuführung 32 und/oder eine Kreislaufgaszuführung 33 für eine Kreislaufgas aufweisen kann. Die voranstehenden Ausführungen zu diesen Ausführungsvarianten können angewandt werden.
Entsprechend einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass das Förderelement 34 in einer Kreislaufgasführung für das Kreislaufgas angeordnet ist, die mit dem Ausgang 47 des Plasmaerzeugungselements 8 strömungsverbunden ist. In der Ausführung der Einrichtung 1 nach Fig. 1 ist der Ausgang des Plasmaerzeugungselements 8 nicht unmittelbar mit dem Förderelement 34 strömungsverbunden, sondern ist dazwischen zumindest die Behandlungskammer 5 angeordnet. Beide Ausführungsvarianten, also die unmittelbare Strömungsverbindung des Ausgangs 47 mit dem Förderelement 34 und die mittelbare Strömungsverbindung des Ausgangs 47 mit dem Förderelement 34 sind möglich, wobei letztere Ausführungsvariante die bevorzugte ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 kann das Förderelement 34 eine Strahlpumpe 48 sein, wie sie beispielhaft in Fig. 8 dargestellt ist.
Die Strahlpumpe 48 weist einen ersten Gasanschluss 49 und einen Treibmittelanschluss 50 sowie einen Auslass 51 auf. Der erste Gasanschluss 49 kann an die Frischgaszuführung 32 oder vorzugsweise an die Kreislaufgaszuführung (siehe Fig. 1) angeschlossen sein, sodass also Frischgas oder Kreislaufgas, das insbesondere aus dem Abgas der Behandlungskammer 5 stammt, beschleunigt werden kann.
Dem Treibmittelanschluss 50 wird ein, insbesondere gasförmiges, Treibmittel unter Überdruck zugeführt. Dieser Überdruck wird in der Strahlpumpe 48 durch eine Querschnittsverengung 52, durch die das Treibmittel durch muss, in Geschwindigkeit umgesetzt. Dies erzeugt im ersten Gasanschluss 49 einen Unterdrück, der das dort zugeführte Gas mitreißt und beschleunigt.
Prinzipiell kann jedes geeignete Treibmittel eingesetzt werden, wobei gasförmige Treibmittel bevorzugt werden. In der bevorzugten Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 wird jedoch als Treibmittel ein Frischgas eingesetzt, das auch dem Plasmaerzeugungselement 8 zugeführt wird, sodass der Treibmittelanschluss 50 bei dieser Ausführungsvariante an die Frischgaszuführung angeschlossen ist, beispielsweise über die Gasversorgung s Vorrichtung 31, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
Dabei kann nach einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass der Volumenstrom des Kreislaufgasstroms mit dem Volumenstrom an Frischgas, das der Strahlpumpe 48 zugeführt wird, geregelt wird. Dies kann beispielsweise über eine Regelelement 52 erfolgen, das in der Frischgaszuführung zur Strahlpumpe angeordnet ist, wie dies ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich ist. Das Regelelement 52 kann z.B. eine Klappe, ein Schieber oder ein Ventil sein.
Generell sei angemerkt, dass die Einrichtung 1 bzw. die Vorrichtung 6 eine Regel- und/oder Steuervorrichtung 53 aufweisen kann, der die entsprechenden Daten von den Messwertgebern der Einrichtung 1 bzw. Vorrichtung 6 drahtlos oder drahtgebunden bereitgestellt werden können und die die entsprechenden Regel- und/oder Steuersignale ausgeben kann, beispielsweise zur Veränderung der Volumenströme der Prozessgase.
Alternativ oder zusätzlich zum Regelelement 52 kann auch ein regelbare Strahlpumpe 48 zur Veränderung bzw. Regelung der Volumenströme eingesetzt werden. Die regelbare Strahlpumpe 48 kann dazu mit einer Regelung des Volumen- oder Mengenstroms an Frischgas, das der Strahlpumpe 48 als Treibmittel zugeführt wird, ausgebildet sein.
In Fig. 9 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Vorrichtung 6 zur Bereitstellung eines Plasmas schematisiert gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den Fig. 1 bis 8 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die voranstehende Beschreibung dazu hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Bei dieser Ausführungsvariante ist der Eingang 46 des Plasmaerzeugungselements 8 mit einer weiteren Frischgaszuführung 32 strömungsverbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante dazu ist in Strömungsrichtung des gasförmigen Fluids, insbesondere des Kreislaufgases, vor dem Förderelement 34 ein Wärmetauscher 54 angeordnet.
Weiter kann nach einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 in der weiteren Frischgaszuführung 32 ein weiterer Wärmetauscher 55 angeordnet sein.
Der Wärmetauscher 54 und der weitere Wärmetauscher 55 können dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein.
Es ist weiter möglich, dass der weitere Wärmetauscher 55 mit dem Wärmetauscher 54 vor dem Förderelement 34 strömungsverbunden ist. Damit kann erreicht werden, dass das Kreislaufgas im Wärmetauscher 54 abgekühlt werden kann, und die dabei gewonnen thermische Energie auf das Frischgas übertragen werden kann, die über die weitere Frischgaszuführung 32 dem Plasmaerzeugungselement 8 zugeführt wird. Alternativ dazu kann auf der Wärmetauscher 54 in der Kreislaufgaszuführung 33 auch mit dem Wärmetauscher 37 der Einrichtung 1 (siehe Fig. 1) zur Übertragung von thermischer Energie verbunden sein.
Mit der Abkühlung des Kreislaufgases vor dem Förderelement 34 ist es insbesondere auch möglich, auch thermisch weniger belastbare Förderelemente 34 einzusetzen, wie beispielsweise nach einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 6 einen Ventilator oder eine Turbine.
Weitere einsetzbare Förderelemente 34 sind eine Pumpe, eine Vakuumpumpe, ein Kompressor, ein Injektor, etc.
Nach einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung vor dem Förderelement 34 zumindest ein Filterelement angeordnet ist, um dem Förderelement 34 ein reineres Gas zuführen zu können. Es können damit beispielsweise abrasive Belastungen oder Verstopfungen des Förderelements 34 und des Plasmaerzeugungselements 8 verringert bzw. vermieden werden.
Merkmale der nachfolgenden Ausführungen können für sich oder in Kombination mit Merkmalen der voranstehenden Ausführungen eine eigenständige Erfindung bilden. Insbesondere ist für nachfolgende Ausführungsvarianten der Einrichtung 1 die Aufteilung das gasförmigen Fluids auf den Zentralgasstrom 19 und den Schutzgasstrom 20 und/oder der Einsatz eines Förderelements 34 nicht zwingend erforderlich.
In den Figuren 10 und 11 sind weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsformen der Einrichtung 1 schematisiert gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den Fig. 1 bis 9 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die voranstehende Beschreibung dazu hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Die Einrichtung 1 zur thermischen Behandlung des Stoffes 2 dieser Ausführungsvarianten umfassen wieder die Behandlungskammer 5 und zumindest eine Vorrichtung 6 zur Bereitstellung eines Plasmas, wobei die Behandlungskammer 5 einen Eingang 56 und einen Ausgang 57 für die Zuführung und die Abführung eines gasförmigen Fluids in und aus der Behandlungskammer 5 aufweist. Bei beiden Ausführungsvarianten ist vorgesehen, dass der Ausgang 57 der Behandlungskammer 5 mit zumindest einem Wärmetauscher 58 Strömung s verbunden ist, wobei der Wärmetauscher 58 einen Eingang 59 und einen Ausgang 60 für die Zufuhr und die Abfuhr des gasförmigen Fluids aufweist.
Das gasförmige Fluid ist vorzugsweise das Abgas aus der Behandlungskammer 5, das im Kreislauf durch die Einrichtung 1 geführt wird.
Der Wärmetauscher 58 weist zumindest ein Wärmespeicherelement 61 auf. Das Wärmespeicherelement 61 kann beispielsweise durch einen Werkstoff auf Basis von oder mit Aluminiumoxid (AI2O3), Siliziumdioxid (SiCF), Eisen(III)oxid (Fe2O3), Titandioxid (TiCF), Kaliumoxid (K2O), Calziumoxid (CaO), Natriumoxid (Na2O), etc., gebildet sein.
Das zumindest eine Wärmespeicherelement 61 dient dazu, von dem gasförmigen Fluid, das durch den Wärmetauscher 58 geleitet wird, Wärme aufzunehmen und für eine spätere Verwendung zu speichern.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 10 ist zumindest ein weiterer Wärmetauscher 58 vorgesehen, der ebenfalls zumindest ein Wärmespeicherelement 61 aufweist. Es ist aber möglich, dass nur ein Wärmetaucher 58 mit zumindest einem Wärmespeicherelement 61 vorhanden ist. In diesem Fall kann die dem Prozessgas entzogene und im Wärmespeicherelement 61 gespeicherte thermische Energie z.B. für einen anderen Prozess verwendet werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die bei der Abkühlung des Prozessgases diesem entzogene thermische Energie als Heizenergie für die Raumheizung und/oder Wassererwärmung und/oder zur Stromerzeugung verwendet wird. Für diese Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Wärmetauscher 58 in einem Fluidkreislauf angeordnet ist, der den Ausgang 57 der Behandlungskammer 5 mit dem Eingang der Behandlungskammer 56 verbindet.
In der bevorzugten Ausführungsvariante wird die dem Prozessgas, d.h. in diesem Fall dem Kreislaufgas, aber im Prozess selbst wieder eingesetzt.
Bei der Ausführungsvariante der Einrichtung 1 wird dies durch die Verwendung von zumindest zwei Wärmetauschern 58 mit jeweils zumindest einem Wärmespeicherelement 61 erreicht. Dazu wird das heiße Kreislaufgas vom Ausgang 57 in den ersten Wärmetauscher 58 geleitet. In der Darstellung in Fig. 10 ist dies der obere der beiden Wärmetauscher 58. In diesem ersten Wärmetauscher 58 wird das Kreislaufgas abgekühlt und die entzogenen thermische Energie in dessen Wärmespeicherelement 61 gespeichert.
Nach dem ersten Wärmetauscher 58 wird das abgekühlte Kreislaufgas in ein Gasförderelement 62, wie z.B. einen Ventilator oder eines der voranstehend genannten Förderelemente 34. Dazu kann der Ausgang 60 des ersten Wärmetauschers 58 mit dem Gasförderelement 62 strömungsverbunden sein. Das Gasförderelement 62 kann den Druck aufbauen, um das Kreislauf- gas durch die Wärmetauscher 68 bzw. im Kreislauf zu führen.
Falls das Kreislaufgas für die Einleitung in das Gasförderelement 62 noch zu heiß ist, besteht nach einer Ausführungsvariante der Einrichtung 1 die Möglichkeit, dass das Kreislaufgas vor dem Gasförderelement 62 mit einem kühleren Frischgas vermischt wird. Das Frischgas kann beispielsweise in das abgekühlten Kreislaufgas eingedüst werden. Das Frischgas kann beispielsweise über die Gasversorgungsvorrichtung 31 zugeführt werden. In der Einrichtung 1 kann bei dieser Ausführungsvariante in Strömungsrichtung des gasförmigen Fluids vor dem Gasförderelement 62 ein Zuführelement zur Zuführung eines Kühlmediums, wie beispiels- weis das Frischgas, in das gasförmige Fluid angeordnet sein.
Generell kann eine (Vor)Kühlung des Kreislaufgases auch an einem anderen Ort erfolgen. Es ist weiter möglich, dass ein Teilstrom des Kreislaufgases abgezweigt wird und gegebenenfalls einer gesonderten Kühlung mit einem anderen Wärmetauscher zugeführt wird, um eine thermische Überlastung der Wärmespeicherelemente 61 zu vermeiden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der gesondert gekühlte Teilgasstrom dem Wärmetauscher 58, d.h. dem zumindest einen Wärmespeicherelement 61 zuzuführen, welches nicht erhitzt wird, sondern das (thermisch) entladen wird.
Nach einer anderen Ausführungsvariante kann alternativ oder zusätzlich dazu vorgesehen sein, dass bereits vor dem Eingang 59 oder am Eingang 59 ein kühleres Frischgas in den heißen Kreislaufgasstrom eingebracht wird, wozu am Eingang 59 oder vor dem Eingang 59 des Wärmetauschers 58 für das gasförmige Fluid eine Frischgaszuführung angeordnet sein kann.
Das Gasförderelement 62 kann auch an einer anderen Stelle der Einrichtung 1 angeordnet sein. Nach dem ersten Wärmetauscher 58 gelangt das abgekühlte Kreislaufgas, bevorzugt mit dem Gasförderelement 61, über den Eingang 59 in den zweiten (unteren) Wärmetauscher 58. Der Eingang 59 des zweiten Wärmetauschers 58 ist dazu mit dem Ausgang 60 des ersten Wärmetauscher 58 direkt oder indirekt über das Gasförderelement 61 Strömung s verbunden.
Das zumindest eines Wärmespeicherelement 61 des zweiten Wärmetauchers 58 ist im Normalbetrieb, also nicht in der Anfahrphase der Einrichtung 1, bereits erhitzt, sodass in diesem zweiten Wärmetauscher 58 das Kreislaufgas wieder erhitzt wird. Dabei kühlt das Wärmespeicherelement 61 des zweiten Wärmetauschers 58 wird ab.
Das erhitzte Kreislaufgas wird über den Ausgang 60 des zweiten Wärmetauschers 58, der mit dem Eingang 56 der Behandlungskammer über das Plasmaerzeugungselement 8 strömungsverbunden ist, wieder als Prozessgas zugeführt. Vorher wird es im Plasmaerzeugungselement 8 noch auf die gewünschte Prozesstemperatur erhitzt.
Dieser Vorgang läuft so lange ab, bis der erste Wärmetauscher 58 eine kritische Temperatur erlangt. Diese kann beispielsweise durch die Temperaturbelastbarkeit der Gasförderelements 62 vordefiniert sein.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Strömungsrichtung des Kreislaufgases umgekehrt. Dazu können entsprechende Zyklusklappen 63 bzw. andere geeignete Elemente zur Änderung der Strömungsrichtung des Gases ihre Stellung entsprechend verändern, sodass das Abgas aus der Behandlung skammer 5 in weiterer Folge zuerst über den zweiten (unteren) Wärmetauscher 58 zur Abkühlung und danach über den ersten (oberen) Wärmetauscher 58 zur Wiedererwärmung geführt wird. Mit anderen Worten wird in diesem Zyklus der zweite Wärmetauscher 58 zum ersten Wärmetauscher 58 und der erste Wärmetauscher 58 zum zweiten Wärmetauscher 58. Dieser Zyklus läuft danach wieder so lange ab, bis die kritische Temperatur wieder erreicht wird und die Zyklusklappen 63 erneut ihre Stellung verändern.
Das entsprechende Leitungsschema für dies Zyklisierung ist aus Fig. 10 ersichtlich.
Die Änderung der Stellung der Zyklusklappen 63 bzw. der genannten Elemente erfolgt bevorzugt vollautomatisch. Dazu kann ein Temperaturfühler in jedem der Wärmetauscher 58 angeordnet sein, die entsprechende Messsignale liefern. Nach einer anderen und in Fig. 11 gezeigten Ausführungsvariante der Einrichtung 1 kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher 58 mehrere Wärmespeicherelemente 61 aufweist, die drehbar angeordnet sind, sodass die Wärmespeicherelemente 61 abwechselnd mit dem gasförmigen Fluid, insbesondere dem heißen Abgas bzw. dem Kreislaufgas, aus der Behandlungskammer 5 beaufschlagbar sind.
Das Heißgas bzw. das heiße Abgas (Kreislaufgas) kann über den oberen Teil des Wärmetauschers 58 zugeführt werden. Dabei gibt es seine Wärme an die Wärmespeicherelemente 61 ab, d.h. das jeweilige in der richtigen Drehstellung befindliche Wärmespeicherelement 61. Das abgekühlte Abgas (Kreislaufgas) wird danach wieder dem Plasmaerzeugungselement 8 als Prozessgas zugeführt. Über die Wärmespeicherelemente 61 gelangt die thermische Energie in den ebenfalls feststehenden unteren Teil des Wärmetauscher 58 und kann hier die zugeführte kalte Frischluft erwärmen. Diese wird damit heiß und die Wärmespeicherelemente 61 kühlen wieder ab und stehen für eine neue Beladung zur Verfügung.
Dieser Vorgang kann über einen Temperatursensor, z.B. ein Thermoelement, im kalten Abgas gesteuert werden. Über die Drehzahl des Wärmetauschers 58 kann die gespeicherte Wärmemenge pro Wärmespeicherelement 61 vorgegeben werden.
Das erhitzte Frischgas kann in der Folge dem Plasmaerzeugungselement 8 zugeführt werden.
In der Darstellung der Fig. 11 sind acht Wärmespeicherelemente 61 vorgesehen. Es können aber auch weniger oder mehr als acht Wärmspeicherelement 61 eingesetzt werden, beispielsweise drei oder vier oder fünf oder sechs oder sieben oder neun oder zehn, bzw. deutlich mehr als acht, wie beispielsweise mehr als 100, etc.
Die Wärmespeicherelemente 61 können als Wabenkörper, als Kugelschüttung bzw. generell als Schüttung, als Schaum, als mittels eines additiven Verfahren hergestellte Körper, etc., ausgeführt sein. Dabei kann über die Form der erlaubte Druckverlust, der Platzbedarf, etc., vorgegeben werden.
Die Wärmespeicherelemente 61 können mit einer Beschichtung, beispielsweise einer katalytischen Beschichtung, versehen sein.
Nachdem die Wärme bzw. die thermische Energie bevorzugt wieder im gleichen Prozess eingesetzt wird, kann auch in diesen Ausführungsvarianten vorgesehen sein, dass der zumindest eine Wärmetauscher 58 in einem Fluidkreislauf angeordnet ist, der den Ausgang 57 der Behandlung skammer 5 mit dem Eingang 56 der Behandlungskammer 5 verbindet.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Einrichtung kann vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung vor dem Gasförderelement 62 ein dritter Wärmtauscher 64 angeordnet ist, um das gasförmige Fluid nach Verlassen der ersten Wärmetauschers 58 weiter abzukühlen. Dieser dritte Wärmetauscher 64 kann ohne Wärmespeicherelemente 61 ausgeführt sein.
In voranstehenden Ausführungen wurde davon ausgegangen, dass abgesehen von dem Teilvolumenstrom, der über das Ableitelement 44 dem Prozess gänzlich entzogen wird, der restlichen Volumenstrom zur Gänze abgekühlt wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass nur ein Teil des restlichen Volumenstroms gekühlt wird. In diesem Fall kann dieser Teil beispielsweise dazu verwendet werden, um Bauteile im Plasmaerzeugungselement 8 zu kühlen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Bezugszeichenaufstellung
Einrichtung 30 Steg
Stoff 31 Gasversorgungsvorrichtung
Aufnahme 32 Frischgaszuführung
Gehäuse 33 Kreislaufgaszuführung
B ehandlung skammer 34 Förderelement
Vorrichtung 35 Anschluss
Heißgasstrom 36 Zündgas
Plasmaerzeugungselement 37 Wärmetauscher
Elementkörper 38 Beschichtung
Induktionsspule 39 Streifen
Strömungskanal 40 Abstand
Strömungskanal 41 Abgasleitung
Abstand 42 Klappe
Oberfläche 43 Querschnittsverjüngungselement
Abstand 44 Ableitelement
Anschluss 45 Zufuhrvorrichtung
Anschluss 46 Eingang
Zufuhrleitung 47 Ausgang
Zentralgasstrom 48 Strahlpumpe
Schutzgasstrom 49 Gasanschluss
Ausgang 50 Treibmittelanschluss
Kanalelement 51 Auslass
Kühlkanal 52 Regelelement
Strömungskanal 53 Steuervorrichtung
Anschluss 54 Wärmetauscher
Winkel 55 Wärmetauscher
Kühlgasstrom 56 Eingang
Längsmittelachse 57 Ausgang
Auslassöffnung 58 Wärmetauscher Eingang Ausgang W ärmespeicherelement Gasförderelement Zyklusklappe Wärmetauscher

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung (6) zur Bereitstellung eines Plasmas umfassend zumindest ein Plasmaerzeugungselement (8) mit einem Eingang (46) und einem Ausgang (47) für ein gasförmiges Fluid, wobei in dem Plasmaerzeugungselement (8) ein erster Strömungskanal (11) angeordnet ist, gegebenenfalls ein dazu konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal (12), der den ersten Strömungskanal (11) zumindest abschnittsweise umgibt, angeordnet ist, wobei der erste Strömungskanal (11) mit einem ersten Anschluss (16) für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms und/oder eine Plasmastroms Strömung s verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (46) des Plasmaerzeugungselements (8) mit einem Förderelement (34) strömungsverbunden ist, mit dem das gasförmige Fluid beschleunigbar ist.
2. Vorrichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaerzeugungselement (8) mit einer Gasversorgungsvorrichtung (31) strömungsverbunden ist.
3. Vorrichtung (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasversorgungsvorrichtung (31) eine Frischgaszuführung (32) und/oder eine Kreislaufgaszuführung (33) für eine Kreislaufgas aufweist.
4. Vorrichtung (6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (34) in einer Kreislaufgasführung für das Kreislaufgas angeordnet ist, die mit dem Ausgang (47) des Plasmaerzeugungselements (8) strömungsverbunden ist.
5. Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (34) eine Strahlpumpe (48) ist.
6. Vorrichtung (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (48) einen Treibmittelanschluss (50) aufweist, der an die Frischgaszuführung (32) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (48) eine regelbare Strahlpumpe (48) mit einer Regelung des Volumen- oder Mengenstroms an Frischgas ist.
8. Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (46) des Plasmaerzeugungselements (8) mit einer weiteren Frischgaszuführung (32) Strömung s verbunden ist.
9. Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des gasförmigen Fluids vor dem Förderelement (34) ein Wärmetauscher (54) angeordnet ist.
10. Vorrichtung (6) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Frischgaszuführung (32) ein weiterer Wärmetauscher (55) angeordnet ist.
11. Vorrichtung (6) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmetauscher (55) mit dem Wärmetauscher (54) vor dem Förderelement (34) strömungsverbunden ist.
12. Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (34) ein Ventilator oder eine Turbine ist.
13. Einrichtung (1) zur thermischen Behandlung eines Stoffes (2), insbesondere eines Feststoffes, umfassend zumindest eine Vorrichtung (6) zur Bereitstellung eines Plasmas, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) zur Bereitstellung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gebildet ist.
14. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (6) zur Bereitstellung eines Plasmas für die Erzeugung eines Heißgasstromes und/oder eines Plasmastroms zum thermischen Behandeln von einem Stoff (2) umfassend die Schritte:
- Zuführung eines gasförmigen Fluids in ein Plasmaerzeugungselement (8) der Vorrichtung (6), - Erzeugen eines Plasmas im Plasmaerzeugungselement (8);
- Bereitstellen eines heißen Fluidstroms durch das Plasma, gegebenenfalls durch Erhitzung des gasförmigen Fluids mit dem Plasma zur Herstellung eines Heißgases, wobei der heiße Fluidstrom außerhalb des Plasmaerzeugungselements (8) auf den zu behandelnden Stoff (2) gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Fluid vor der Zuführung in das Plasmaerzeugungselement (8) beschleunigt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem gasförmigen Fluid ein weiteres gasförmiges Fluid zugemischt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem weiteren gasförmigen Fluid die Temperatur und/oder die Eage einer Plasmafackel eingestellt oder geregelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma induktiv mit zumindest einer elektrischen Induktionsspule (10) erzeugt wird, und dass weiter die Temperatur der Induktionsspule (10) und/oder ein Temperaturanstieg einer Kühlflüssigkeit für die Induktionsspule (10) und/oder eine Temperaturänderung der Wandung des Plasmaerzeugungselementes (8) im Bereich des Heißgasaustritts gemessen wird und anhand dieses Messwertes bei einer Temperaturänderung der Volumenstrom des gasförmigen Fluids und/oder weiteren gasförmigen Fluids verändert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieses weiter die Schritte
- Zuführung eines Frischgasstroms zu einer Gasversorgungs Vorrichtung (31) des Plasmaerzeugungselements (8),
- Zuführung eines Kreislaufgasstroms aus einer Behandlungskammer (5), in der der Stoff (2) thermische behandelt wird, zu der Gasversorgungsvorrichtung (31) umfasst, wobei für die Zuführung des Kreislaufgas Stromes eine Strahlpumpe (48) verwendet wird, die mit einem Frischgasstrom als Treibgas betrieben wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Kreislaufgasstroms mit dem Volumenstrom an Frischgas, das der Strahlpumpe (48) zugeführt wird, geregelt wird.
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