DE1933306B2 - Verfahren zum betrieb eines lichtbogen hochdruckplasmabrenners und anordnung zur durchfuerhung des verfahrens - Google Patents

Description

6. Anordnung nach Anspruch 2 und einem der mittelpumpe nur die Umwälzarbeit aufzubringen. Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch ein Der von der Umwälzpumpe aufzubringende Druck, Ausgleichsgefäß (8), an das von oben die Druck- der sich bis zum Rücklauf in die Pumpe abbaut, leitung (7) und von unten eine Kühlmittelleitung 45 kann somit kleingehalten werden.

(9) angeschlossen ist. Eine wesentliche Ausgestaltung des Hochdruck-

7. Anordnung nach Anspruch 2 und einem der Plasmabrenner!, nach der Erfindung besteht darin, Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß daß zumindest eine der beiden Elektroden zur Verein Kolben in der Druckleitung zwischen Licht- änderung des Elekirodenabstandes in einer Halterung bogenkammer und Kühlmittelkreislauf einge- 50 beweglich gelagert ist, die als Abschlußplatte einer setzt ist. Stellkammer mit der Länge des Verstellbereichs der

Elektrode ausgebildet ist, daß die Stellkammer mit

der Lichtbogenkammer in Druckverbindung steht

und einen Motor in Eingriff auf einen Stelltrieb ent-55 hält und daß Versorgungsleitungen durch die Stell-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kammerwand fest durchgeführt sind.
Betrieb eine? Lichtbogen-Hochdruckplasmabrenners, Durch eine solche Stellkammer, die auf gleichem

bestehend aus einer druckfesten Lichtbogenkammer, Druck wie der Betriebsraum der Lichtbogenkammer die mit einer Plasma-Ausströmdüse versehen ist, mit gehalten wird, erzielt man eine druckentlastete Elek-Kiihlkanälen in den hitzebeiasteten Bauteilen, die in 60 trodenverschiebung und vermeidet Dichtungsproeincm geschlossenen Kühlkreislauf liegen, und einem bleme bei der Elektrodenhalterung. Auch eine Dich-Drucktransmitter, der auf den Druck in der Licht- tung für den Stelltrieb entfällt, da der Motor innen bogenkammer anspricht. in der Stellkammer angeordnet ist. Die Konzeption

Solche Plasmabrenner sind bekannt, beispielsweise der Stellkammer führt zusammen damit, daß das aus »Advanced Energy Conversion«, Vol. 7, 1968, 65 Kühlmittel mit dem Betriebsdruck in der Lichtbogen-Nr. 4, S. 219 bis 232 und 233 bis 245. Sie eignen sich brennkammer beaufschlagt wird, zu weiteren Vorzur Versorgung von Windkanälen für Versuche der teilen: Die Versorgungsleitungen zur beweglichen Raumfahrttechnik, insbesondere um den Wiederein- Elektrode — für Kühlmittel und Stromversorgung —

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müssen nicht starrwandig ausgebildet sein und durch führung des Zuleitungsrohres 15 iüt mit 24 bezeich-

die Wand beweglich durchgeführt werden, sondern net, Durch ein Beobachtungsfenster 25 in der Boden-

man kann Schläuche verwenden sowie feste Durch- plane kann bei Betrieb der Lichtbogen überwacht

führungen und vermeidet insgesamt jegliche beweg- werden, wenn eine hinten offene Elektrode — wie

liehe Abdichtung gegen Hochdruck. 5 dargestellt — verwendet wird. Das Zuleitungsrohr 15,

Es ist vorteilhaft, die Elektroden im wesentlichen auf dem der Stromabnehmer 26 gleitet, ist mit dem

als zylindrische Ringe auszubilden, die axial gegen- Anschlußschlauch 27 verbunden,

überstehend angeordnet sind und Magnetspulen ent- Die Lichtbogenkammer 1 wird weiter durch Kas-

halten, die bei Betrieb den Lichtbogen rotieren lassen. kadenringe 28 und durch den als Verschlußplatte 29

Das Magnetfeld wird dadurch im Bereich hoher io ausgebildeten Elektrodenmantel der feststehenden

Induktion an die Lichtbogenfußpunkte herangeführt. Elektrode gebildet. Die Verschlußplatte 29 stellt die

Es ist weiterhin günstig, eine Hauptzuleitung für elektrische Verbindung zwischen der Elektrode 10

Arbeitsgas zwischen den Elektroden münden zu und dam Anschluß 14 her.

lassen. Den Anforderungen entsprechend kann sie Der Brennerkopf 3 besteht im wesentlichen aus

mehr tangential, radial oder axial zur Ausströmungs- 15 dem Montagemantel 30, den Distanzwänden 31 und

düse und gegen die Richtung der Ausströmung ein- der Stirnplatte 32. Auf der Stirnplatte 32 ist dei

geführt sein. Düsenkörper 4 montiert.

De/ Drucktransmitter kann ein Ausgleichsgefäß Die druckbeanspruchten Außenteile wie Kaskadensein, an das von oben die Druckleitung und von ringe 28, Kammermantel 18 und Montagemantel 30 unten eine Kühlmittelleitung angeschlossen ist. Statt ao können aus rostfreiem Ed'-'itahl gefertigt sein. Die dessen kann als Drucktransmitter auch ein Kolben Teile, die elektrisch leitend sein sollen sowie die in der Druckleitung verwendet werden. besonders hitzebelasteten and gekühlten Teile, wie

Ein Lichtbogen-Hochdruckplasmabrenner, der die Elektroden bzw. die Elektrodenmäntel 33, kön-

nach der Erfindung betrieben werden kann, soll nun nen zweckmäßigerweise aus Kupfer ausgebildet sein,

an Hand der Zeichnung weiter erläutert werden. as Beim Brennerkopf 3 wird Kühlmittel durch die

In Fig. 1 ist ein Plasmabrenner im Längsschnitt Bohrung 34 eingeleitet, es durchströmt dann den

und vereinfacht dargestellt. In Fig. 2 ist ein Schalt- Raum zwischen der Verschlußplatte 29 und einer

plan für einen Kühlmittelkreislauf schematisch Distanzwand 31 sowie den Spalt zwischen dem Elek-

wiedergegeben. trodenmantel 33 und dem Spulenkörper 12 und fließt

Der Lichtbogen-Hochdruckplasmabrenner nach 30 dann über den Kammerraum zwischen der Stirnplatte F i g. 1 besteht aus der Lichtbogenkammer 1, der 32 und einer Distanzwand 31 sowie die Bohrung 35 Stellkammer 2, dem Brennerkopf 3 und dem Düsen- ab. Weitere Kühlkanäle können in den Kaskadenkürper 4 mit der Ausströmungsdüse 5, die insbeson- ringen 28 der Lichtbogenkammer 1 ausgebildet sein, dere als Lavaldüse ausgebildet sein kann. Der Innen- Die Kühlmittelanschlüsse für die Magnetspule der raum bzw. Betriebsraum 6 der Lichtbogenkammer 1 35 beweglichen Elektrode sind mit 36 bezeichnet und steht über die Druckleitung 7 und den Drucktrans- abgebrochen wiedergegeben. Zur Magnetspule der mitter 8 mit dem Kühlmittel im Rohr 9 des Kühl- feststehenden Elektrode 10 führen die Kühlmittelmittelkreislaufs in Verbindung. Mit 10 ist die fest- anschlüsse 37. Die Düse 5 wird über die Anschlüsse stehende und mit 11 die bewegliche Elektrode be- 38 mit Kühlmittel versorgt.

zeichnet. Beide Elektroden sind als zylindrische Ringe 40 Arbeitsgas wird im Ausführungsbeispiel über die ausgebildet und stehen sich axial gegenüber. Sie ent- Hauptzuleitung 39 sowie über die Nebenzuleitungen halten Magnetspulen 12. Die Magnetspulen werden 40 in die Lichtbogenkammer eingeleitet,
im Betrieb so erregt, daß sich ein Cusp-Feld aus- Nach F i g. 2 führt vom Plasmabrenner 41, beibildet, das den zwischen den Elektrodenstirnseiten 13 spielsweise nach Fig. 1 ausgebildet, eine Druckbrennenden Lichtbogen umlaufen läßt. Zur Strom- 45 leitung 7 zu einem hochgelegenen Ausgleichsbehälversorgung ist für die Elektrode 10 der Anschluß 14 ter 8, an den sie von oben angeschlossen ist. Der und für die Elektroden das Zuleitungsrohr 15 vor- Ausgleichsbehälter 8 dient als Drucktransmitter und gesehen, durch das gleichzeitig Kühlmittel zugeführt beaufschlagt mit dem Betriebsdruck im Innenraum wird. Ein Profilring 16 aus Isoliermaterial, beispiels- der Lichtbogenkammer das Kühlmittel im Kühlkreisweise .-uis glasfaserverstärktem Epoxyd-Harz, trennt 50 lauf, der über die Leitung 9 unten am Ausgleichsdas Potential der feststehenden Elektrode 10 und der behälter angescnlossen ist. Der Ausgleichsbehälter beweglichen Elektrode 11. dient hier als Drucktransmitter. Der Ausgleichs-

Die Steükammer 2 steht mit der Lichtbogenkam- behälter kann, wie dargestellt, Sm Sicherheitsübermer 1 über am Umfang verteilt angeordnete Bohrun- druckventil 42 und einen Niveauwächter 43 aufgcn 17 in Druckausgleich. Dazu können auch außen 55 weisen. Der Niveauwächter schaltet beim Einfüllen an den beiden Kammern Schlauchverbindungen vor- des Kühlmittels beim Betriebsstand die Kühlmittelgesehen sein. Die Stellkammer 2 wird im wesent- zufuhr ab und schaltet bei Betrieb die Gesamtanlage liehen durch den Kammermantel 18, die Bodenplatte aus, sobald ein Minimalspiegel im Ausgleichsbehälter

19 und die als Abschlußplatte ausgebildete Halterung unterschritten wird, wie es bei Kühlmittelauslauf

20 gebildet. In der Halterung 20 ist die Elektrode 11 60 durch Leckstellen der Fall sein kann.

beweglich gelagert. Der ferngesteuerte Motor 21 Der Kühlmittelkreislauf besteht im wesentlichen

wirkfauf den Stelltrieb der Elektrode 11 ein, der aus aus der Amchlußleitung 44 für die Umwälzpumpe

einer Spindel 22 und einem Stellkopf 23 bestehen 45, der Verteilerleitung 46, den einzelnen Kühlstrek-

kann. Die Spindel 22 ist in der Bodenplatte 19 und ken, der Sammelleitung 47 und der Rücklaufleitung

in der Halterung 2W gelagert. Das Zuleitungsrohr 15 65 62. Von den Kühlstrecken führt beispielsweise 48

und ein weiteres in der Zeichnung nicht dargestelltes zur beweglichen Elektrode, 49 zur festen Elektrode,

Anschlußrohr zur Kühlmittelableitung können in der 50 zur Magnetspule der beweglichen Elektrode, 51

Bodenplatte 19 fest durchgeführt werden. Die Durch- zur Magnetspule der feststehenden Elektrode, 52 zu

den Kaskadenringen der Lichtbogenkammer und 53 zur Ausströmungsdüse.

Mit 54 sind Steuerventile, mit 55 Mengenmesser und mit 56 Temperaturmesser, Z.B.Thermoelemente, bezeichnet. Sie dienen im Ausführungsbeispiel zur S Ermittlung der an das Kühlmittel abgegebenen Leistung, die sich aus Durchflußmenge und TemperaturdifTerenz von Einlauf und Ablauf an den Kühlstrecken ergibt. Aus der Differenz zur aufgewandten elektrischen Leistung läßt sich die an das Arbeitsmedium abgegebene Leistung bzw. der Wirkungsgrad ermitteln.

Um das Kühlmittel rückzukühlen, ist im Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 57 mit dem Kreislauf 58 sowie ein Wärmetauscher 59 mit Frischwasserzufuhr bei 60 vorgesehen, die von der Rück· lauftemperatur, wie sie das Thermoelement 61 mißt abhängig gesteuert wird.

Bei einem Betriebsdruck von 50 atü in der Licht bogenkammer und einer Ausströmungsdüse von 3 mn Durchmesser an der engsten Stelle kann die Pumpen leistung im Kühlkreislauf für 10 atü ausgelegt sein Der Kühlwasscrdruck liegt dann vor der Umwälz pumpe bei 60 atü und hinter der Umwälzpumpe sink er, bedingt durch die Strömungsreibung, auf 50 ati ab. Für ein solches Ausführungsbeispiel kann dii Brennerleistung auf 50 kW und der Durchsatz ai Arbeitsgas auf 50 g/s ausgelegt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 tritt von Flugkörpern in die Erdatmosphäre zu simu- Palentansprüche: lieren. Außerdem können solche Plasmabrenner in der Chemie eingesetzt werden,

1. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogen» Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß Hochdruckplasmabrenners, bestohend aus einer 5 bei einem Kühlmitteldruck unterhalb des Betriebsdruckfesten Lichtbogenkammer, die mit einer drucks in der Lichtbogenkammer bei Leckstelleu in plasma-Ausströmdüse versehen ist, mit Kühl- hitzebelasteten Bauteilen ionisiertes Arbeitsgas bzw. kanälen in den hitzebelasteten Bauteilen, die in Plasma in die schadhaften Stellen eindringen und einem geschlossenen Kühlkreislauf liegen, da- größere Schaden verursachen kann. Andererseits durch gekennzeichnet, daß der Kühl- io erfordert es einen erheblichen Pumpenaufwand und mitteldruck synchron zum Betriebsdruck in der es sind vielfältige Schwierigkeiten zu überwinden, Lichtbogenkammer gehalten wird. um bei Hochdruck-Plasmabrennern den Kühlmittel-

2. Anordnung zur Durchführung des Verfah- druck auf einen Wert oberhalb des Betriebsdrucks in rens nach Anspruch 1 mit einem Drucktrans- der Lichtbogenkammer einzustellen. Darüber hinaus fritter, der auf den Druck in der Lichtbogen- 15 sind beim Anfahren und Abfahren des Plasmakammer anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß brenners dann weitere Schwierigkeiten zu bewältigen. der Drucktransmitter (8) mit dem Kühlkreislauf Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in druckübertragender Wirkverbindung steht und genannten Nachteile zu vermeiden und die Wirtden Kühlmitteldruck in Abhängigkeit vom Druck schaftlichkeit und Sicherheit der Anlage zu erhöhen, in der Lichtbogenkammer (1) steuert. ao Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge- daß der Kühlmitteldruck synchron zum Betriebskennzeichnet, daß zumindest eine der beiden druck in der Lichtbogenkammer gehalten wird. Das Elektroden (10,11) zur Veränderung des Elek- Kühlmittel wird ständig mit dem Betriebsdruck in trodenabstandes in einer Halterung beweglich der Lichtbogenkammer abgedrückt. Insbesondere gelagert ist, die als Abschlußplatte (20) einer 25 wird beim Anfahren, während des Betriebs und beim Stellkammer (2) mit der Länge des Verstell- Abfahren des Plasmabrenners an jjder Kühlstelle der bereichs der Elektrode (11) ausgebildet ist, daß Druck zumindest etwas oberhalb des Betriebsdrucks die SteHkammer (2) mit der Lichtbogenkammer in der Lichtbogenkammer aufrechterhalten.

(1) in Druckverbindung steht und einen Motor Ein so betriebener Brenner weist unter anderem (21) in ]:Ξϊη£ iff auf einen Stelltrieb (22,23) ent:- 30 folgende wesentliche Vorteile auf: Da die Druckhält und daß Versorgungsleitungen (15, 27) durch differenz zwischen Kühlmittel und Betriebsdruck in die Stellkanimerwand fest durchgeführt sind. der Lichtbogenkammer kleingehalten werden kann,

4. Anordnung nach d'.-n Ansprüchen 2 und .'5, lassen sich die Wände zwischen Kühlkanälen und der dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, Innenseite der Betriebsräume dünnwandig ausbilden, 11) im wesentlichen als zylindrische Ringe au»- 35 was neben einer Materialersparnis eine gute Kühlung gebildet sind, die axial gegenüberstehend angc- gewährleistet. Außerhalb der Strahlungsbereiche könordnet sind und Magnetspulen (12) enthalten. nen auch Kühlmittelschläuche eingesetzt werden, da

5. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 4, ein Zusammendrücken der Schläuche nicht zu bedadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptzuleitumg fürchten ist. Weiterhin ist sichergestellt, daß bei (39) für Arbeitsgas zwischen den Elektroden 40 Leckstellen in den hitzebeiasteten Bauteilen nur mündet. Kühlmittel austreten kann. Schließlich hat die Kühl-