DE1781880U - Lichtbogenanordnung mit gekuehlten metallelektroden zur aufheizung eines gasstromes. - Google Patents

Description

• Lichtbogenanordnung mit gekühlten Metallelektroden zur Aufheizung eines Gasstromes Die nachstehend beschriebene. Erfindung hat eine Einrichtung zum Gegenstand, mit der durch eine Lichtbogenentladung einem Gasstrahl im Dauerbetrieb thermische Energie zugeführt wird.
• Es sind Einrichtungen bekannt geworden, einem Gasstrahl thermische Energie zuzuführen, die im wesentlichen aus einer Druckkammer bestehen, in die eine Kathode eingesetzt ist mit einer sie konzentrisch umgebenden Anode. Bei den hohen Gastemperaturen, bei der Eigenart des Mechanismus der Lichtbogenentladung und bei der Wahl des Materials der Elektroden (vorzugsweise Graphit) ist es indessen nicht möglich, mit diesen Anordnungen Betriebszeiten von für tech-

  nische Zwecke brauchbarer Dauer zu erreichens

  Gemäß der vorliegenden Erfindung werden daher gekühlte Metallelek-

  troden verwendet. Da ein Drehstromlichtbogen nur mit Graphitelektroden gefahren werden kann, diese jedoch nicht in hinreichendem Maße zu kühlen sind, ist die Einrichtung gemäß Erfindung vorzugsweise

  mit Gleichstrom zu betreiben.

  q

  Die Kathode der Einrichtung wird durch einen gekühlten Wolframstab

  gebildete. Diese Maßnahme stellten sich nichts Neues dar, weil der-

  artige Wolfram-Kathoden bereits z. B. beim Argon-Arc-Schweißverfahren benutzt werden. Für die Haltbarkeit der Anode im Dauerbetrieb sind folgende Erwägungen maßgebend : Im Gegensatz zur Kathode 9 welche, die den Stromtransport in der Lichtbogensäule tragenden Elektronen liefern muß, hat die Anode lediglich die Aufgabe, diese Elektronen wieder aufzunehmen. Die Kathode muß als Elektronenlieferant entweder eine so hohe Temperatur besitzen, daß eine ausreichende thermische Elektronenemission möglich ist, oder sie muß, falls es sich um eine stark gekühlte Kathodenoberfläche handelt, die freien Elektronen mit Hilfe des Kathoden" fallmechanismus erzeugen. In beiden Fällen kommt es im allgemeinen zu einer Brennfleckbildung, das heißt, der Stromübergang vom Metall zum Gasraum findet innerhalb einer sehr

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  kleinen Fläche von wenigen mm Flächeninhalt statt. Bei Licht-

  bögen, die in einem ruhenden Gas brennen, kommt es im ; allgemeinen auch an der Anode zu solchen Brennfle@@bildungen, wodurch gerade bei großen Leistungen dann @@@r @eicht unzulässig hohe thermische Windbelastungen und als Folge davon Zerstörungen des Anodenmaterials auftreten. Diese unzulässig hohen Stromdichtebelastungen an der Anoden-

  oberfläche können aber vermieden werden ;, wenn der Anodenbrenn-

  fleck durch eine schnelle Gasströmung sozusagen zerblasen

  wird, der Elektronenübergang vom Gas zum Metall sich also diffus auf eine genügend große Fläche verteilte Dies kann dadurch erreicht werden, daß der vom Lichtbogen aufgeheizte Gasstrahl (Plasmawtrahl) die Anodenoberfläche nur streifend-

  also im wesentlichen tangential-berührte wie es z. B. bei

  Verwendung einer Düse möglich ist, bei der der Gasstrahl durch die Düsenöffnung hindurchtritt. Wie die diesbezüglichen Experimente zeigen, ist der Plasmastrahl in der Achse wesentlich heißer als in der Wandnähe, wo sich eine Grenzschicht ausbildete in der die Temperatur von den hohen Werten (10 000°K und mehr) rasch absinkt auf die Wandtemperatur der Anodendüse.
• Offensichtlich muß nun ein gewisser Turbulenzgrad in der Grenzschicht an der Düsenoberfläche vorhanden sein, damit ein

  großflächiger Anodenbrennfleck vermieden wirdo

  Es zeigt sich nämlich, daß der Stromübergang umso müheloser

  vor sich geht, je höher die Gasgeschwindigkeit ist. Die erforderliche Mindestgeschwindigkeit hängt übrigens noch von der Gasart abo Bei Edelgasen, wie z.B. Argon, und weiterhin bei Stickstoff, langen Gasgeschwindigkeiten von einigen hundert m/sec g während bei reinem Wasserstoff Gasgeschwindigkeiten von der Größenordnung 1000 m/sece in der Düse erforderlich sind, um ein zerstörungsfreies Arbeiten der Düse zu gewährleisten. Höchstwahrscheinlich spielt dabei der hohe Wärmeleitwert des Wasserstoffes, insbesondere des atomaren Wasserstoffes, eine erhebliche Rolle. Bei Düsen mit genügend enger Öffnung und dementsprechend hoher Gasgeschwindigkeit tritt der erforderliche Turbulenzgrad automatisch in Erscheinung (Figo 2a) Bei relativ weiten Düsen kann die gewünschte Turbulenz in der Grenzschicht durch Einbau eines sogenannten "Stolperdrahtes" (Fig. 2b) oder einer"Stolperkante" (Figo 2c)"erzielt werdeno Die Düsenwandungen werden in der in Fig. 1 bzw. 4 bezeichneten Weise mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit gekühlte wobei die Kühlmittelgeschwindigkeit zurErreichung eines hohen Wärmeüberganges möglichst mehr als 10m/sec. betragen muß was durch genügend enge Kühlmittelumlaufräume und eine Vorpumpe mit 5-7 atü Vordruck erreicht werden kanne Um ebenfalls einen ausreichenden Wärmedurchgang in der Düsenwandung zu erzielen, wird diese e) aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer oder Silber hergestellt und 2) wird eine Wanddicke von nicht mehr als 1-3 mm gewählt, Die gesamte Apparatur zur Erzeugung von Gasströmungen hoher Energie (Tempo von einigen 100000 an aufwärts) setzt sich zusammen ausg a) Kathode, die vorzugsweise aus einem wassergekühlten Wolframstab besteht und deren Konstruktion bereits weitgehend bekannt ist durch die Verwendung bei den Argon-Arc-Schweißgeraten. Wenn auf die praktisch nicht abbrennende Wolfram-Kathode kein Wert gelegt wird, oder wenn aus irgendeinem anderen Grunde - z.B. wegen der Verwendung von Kohlenstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen im Lichtbogenraumein Wolfram-Stift nicht in Frage kommt, kann die Kathode aus einem nachführbaren, gekühlten Graphitstab bestehen. b) Anode, in Düsenform mit Kühlung. c) Verbindungsstück aus Isoliermaterial9 daß die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert, vorzugsweise in Form eines Rohres oder Ringes. Dieses Isoliermaterial bil@ det zwangsläufig einen Teil der Brennraumwand, Eine hohe thermische Belastung wird aber dadurch vermieden, daß das aus der Kathode ausströmende Gas in den Randpartien erst unmittelbar in der Düse aufgeheizt wird. Die Wandgebiete in der Nähe der Kathode bleiben also relativ kalt uns. werden nur durch die Lichteinstrahlung belastete Verwendung finden die üblichen Isoliermaterialien mit hoher thermischer Belastbarkeit, wie Quarz, Degussit, Magnesit und ähnliche keramische Baustoffe (Fig. 4).
• Der Lichtbogen wird bei der Versuchseinrichtung im strömenden Gas (Wasserstoff, Stickstoff, Edelgas bzw. Gemische dieser

  Gasarten) gezündet mit Hilfe einer durch die Düse eingeführten

  Hilfselektrode (Graphitstäbohen) die das gleiche elektrische

  Po ential besitzt wie die Anode. Bei einer für den praktischen

  Betrieb bestimmten Lichtbogenanordnung wird man jedoch zweck-

  mäßig zu einer der bekannten Zündvorrichtungen greifen, die sich

  beispielsweise nieder-oder hochfrequenter Hochspannung zur Erzeugung einer ersten ionisierten Entladungsbahn bedienen.
• In Figo 1 stellt 2 die doppelwandige, rotationssymmetrische Lichtbogenbrennkammer dar, während mit 3 und 4 die auf dem Umfang verteilten Stutzen für Ein-bzw. Ausströmung des Kühlmittels bezeichnet sind. Als Werkstoff für die Lichtbogenbrennkammer wird zweckmäßig ein die Wärme gut leitendes Metall, z.B. Kupfer oder Silber, gewählte Zentrisch in dieser Kammer ist die Kathode 10 angeordnet, die gleichfalls von einem Kühlmittelmantel 11 umgeben ist und aus diesem etwas herausragt. 12 und 13 stellen Ein- und Austrittsstutzen des Kühlmittels dar. Der Kühlmittelmantel 11 ist seinerseits von einem weiteren Mantel 14 derart umgeben, daß zwischen der eigentlichen Kathode 10 und diesem Mantel ein ringförmiger Spalt 15 frei bleibt, durch den das durch Stutzen 16. zugefüh@t@

  Gas die Kathode gleichmäßig umhüllende zunächst einen Kegel-

  mantel bildend und dann den kegelförmigen Lichtbogen 30 durch= dringende in die Brennkammer einströmen kann. Da sowohl bei den Elektroden als auch beim Strömungsquerschnitt des Gases und beim Lichtbogen im stationären Betrieb Rotationssymmetrie vorliegt sind sämtliche Gasmoleküle gezwungen 9 den Lichtbogen zu durchsetzen.
• Die Kathode wird in der Lichtbogenbrennkammer durch eine Hülse 20 aus einem elektrisch isolierendem Werkstoff mit hoher thermischer Belastbarkeit, wie z.B. Quarz, Degussit, Magnesit u.a. zentriert und gehaltene Im Betrieb brennt der Lichtbogen 30 zwischen der Stirnfläche der Kathode 10 und der engsten Stelle der Ausströmöffnung 5 der als Anode geschalteten Lichtbogenbrennkammer 2 und nimmt dabei aus Symmetriegründen die Form eines Kegels an. Der aus dem Ringspalt 15 der Kathode 10 austretende Gasstrahl 40 ist auf diese Weise gezwungen, den Lichtbogen zu durchsetzen, bevor er aus der Ausströmöffnung 5 austreten und seiner Verwendungsstelle zugeführt werden kanne Es hat sich gezeigt, daß ein gewisser Turbulenzgrad in der Grenzschicht zwischen Gasstrahl 40 und Düsenoberfläche 5 vorhanden sein muß, damit ein die Düse zerstörender Anodenbrennfleck vermieden und ein Stromübergang auf großer Fläche sichergestellt wirts Fig. 2a zeigt schematisch eine solche turbulente Grenzschicht 41, wie sie bei dieser bei benügend enger Öffnung und entsprechend hoher Strömungsgeschwindigkeit des Gases ohne weiteres Zutun in Erscheinung tritt. Sind die Düsen aber verhältnismäßig weit, so kann die angestrebte Turbulenz der Grenz schicht 41 durch Einbau eines'sog."Stolperdrahtes"6 (Fig. 2b) oder einer"Stolperkante"7 (Fig. 2c) erzwungen werden. Eine kühlungstechnisch wie auch herstellungsmäßig besonders einfache Düsenform ergibt sich, wenn man aus Rohr, vorzugsweise aus Kupfer oder Silber bestehend, als Lichtbogenbrennkammer mit anodischem Stromanschluß eine Ringdüse 2 in der in Figo 3 gezeigten Weise zusammenbiegt. Der Vorteil liegt in der einfachen Bauweise und in der gut definierten Kühlmittelführung.
• In Fig. 4 ist eine herstellungstechnisch weiter durchgebildete Ausführungsform dargestellt. 2 ist die rotationssymmetrische Anode, in die zur Bildung eines Kühlmittelkanals ein mindestens 2-teiliger Füllring 8 eingelegt und mittels des Ringes 9 gehalten wirde Durch entsprechende Bemessung und entsprechende Wahl der Querschnittsform des Füllringes hat man es in der Hand, den Querschnitt des Kühlmittelkanals so zu gestalten, daß der von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Wärmeübergang an den der höchsten thermischen Belastung unterworfenen Stellen der Anode 2 seinen Größtwert erreichte Zur zentrischen Befestigung der Kathode 10 dient wiederum das isolierende Rohr 209 während für die druckdichte Einführung des Kathodenkühlmantels 14 in die Brennkammer der Dichtungsring 21 vorgesehen ist3 Die Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Lichtbogenanordnung sind sehr vielfältig : Die fühlbare Wärme des ausströmenden Gasstrahles kann Verwendung finden zum Schweißen und Schneiden von metallischen Werkstücken, wobei der Unterschied gegenüber den bisher bekannten Werfahren darin liegt, daß das Werkstück nicht als Anode geschaltet zu werden braucht, da die Metall-Ausströmungsdüse die Funktionen der Anode übernimmt.
• Insbesondere können hiermit auch Werkstoffe geschnitten werden, die den bisherigen Schneidverfahren unzugänglich waren, wie z. Bö alle hochschmelzenden Keramiken (Zirkonoxyd, Aluminiumoxyd usw.).
• Der heiße Gasstrahl bietet auch eine bequeme Möglichkeit9 die zur Niederschmelzung der schwerschmelzbaren Körper erforderlichen Wärmemengen in den entsprechenden Temperaturbereichen aufzubringen und dem Schmelzgut zuzuführen.
• Des weiteren kann die durch die Anordnung gebotene Möglichkeit einen Gasstrahl sehr hoch zu erhitzen, auch zur Schaffung einer Lichtquelle hoher Strahlungsenergie dienen, wobei das aufzuheizende Gas dann vorzugsweise aus der Gruppe der stark strahlenden Gase wie z.B. Xenon, ausgewählt wird.
• Ebenso kann die thermische Energie dazu dienen, einen gasförmig eingeführten, zusammengesetzten Körper thermisch , aufzuspalten.
• Ein weiteres Anwendungsgebiet eröffnet sich durch die Möglichkeit, Gasmoleküle durch die Wärmezufuhr in Atomecaufzuspalten und deren Rekombinationswärme zur Erzwingung chemischer Reaktionen zu verwerten.
• Die kinetische Energie des ausströmenden Gasstrahles kann ferner zur Schaffung einer Lichtbogenbrennkammer für Strahlen triebe Veranlassung geben.

  B e i s p ; LjLJLÜL

  1 Erzeugung eines Gastrahles von teilweise dissoziiertem

  (atomaremStickstoff bei Atmosphärendruckg

  Kupferdüse als Anode mit 6 mm engstem

  Wolframkathode (thoriert) 6, 4 mm

  Bogenleistung 30 kW Stromstärke 200 Ampo Bogenspannung 150 V Energieverlust durch Kühlung der Anode, Kathode und durch Strahlung 20 % Restenergie im Gasstrahl 24 kW Bei ,7Nm3/h eingefahrenem Stickstoff erhält man im Strahl eine mittlere Temperatur von 7 000°C (Dissoziationsgrad 45 %).
• Mittlere Gasgeschwindigkeit in der Anodendüse 800 m/sece Ein derartiger Versuch zur Erzeugung von atomarem Stickstoff ist 88 Stunden ohne Beschädigung der aus Kupfer bestehenden Anodendüse gelaufen. Die 6, 4 mm dicke thorierte Wolfram-Kathode wies innerhalb der Versuchszeit einen Abbrand von 2 mm auf, der praktisch bedeutungslos ist.

  2 Erzeugung eines Gasstrahles aus atomarem Wasserstoff bei

  Atmosphärendruck :

  Wolframkathode (thoriert) 6, 4 mir

  Kupferdüse aus Anode mit 6 mm engstem

  Bogenleistung 36 kW

  Stromstärke 200 Amp.

  Bogenspannung 180 V

  Energieverlust durch Kühlung und Strahlung 25 %

  Restenergie im Gasstrahl 27 kW

  7

  Bei 4-'eingefahrenem Wasserstoff erhält man im Strahl

  eine mittlere Temperatur von 5 000 C (Dissoziationgrad 96 %) a

  Mittlere Geschwindigkeit in der 6 mm Düse beträgt 1 400 m/sec.

  Versuchsdauer 12 Stunden ohne Beschädigung der Anodendüse

  Abbrand an der Wolframkathode innerhalb dieser Zeil-nicht

  feststellbar.

  Das Vorhandensein von atomarem Wasserstoff bzw. atomarem

  Stickstoff im Gasstrahl kann mit den üblichen spektrosko-

  pischen Messmethoden am Erscheinen der Atom-Linien im Spektrum

  nachgewiesen werden

Claims (1)

1. P a t e n t ans p r ü ehe : 1. ) Lichtbogenanordnung mit gekühlter Metallelektrode und koaxial zu ihr angeordneter Ringanode und einem den Lichtbogen durchsetzenden9 nach erfolgter Aufheizung durch eine Düse austretenden Gasstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die rotationssymmetrische Ringanode aus einem die Wärme gut leitenden Metall doppelwandig ausgeführt und zwischen den Wandungen ein Kühlmittelkanal gebildet wird. 2e) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel der Kathode von einem weiteren druckdichten Mantel umgeben wird, zwischen welchem und dem Kühlmantel der Kathode innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ein Ringspalt bleibt, durch den das Gas, einen Kegelmantel bildend und den ebenfalls kegelförmigen Lichtbogen durchdringende in die Lichtbogenbrennkammer einströmt. 3.) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringanode aus einem Rohr gebogen wird. 4.) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Durchtrittöffnung der@Ringanode mit Stolperdrähten versehen wird. 5. ) Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Durchtrittsöffnung der Ringanode mit Stolperkanten versehen wird.