DE2027341A1

DE2027341A1 - Regelung für flüssigkeitsstabilisierte Plasmageneratoren

Info

Publication number: DE2027341A1
Application number: DE19702027341
Authority: DE
Inventors: Tibor Dipl.-Ing. Sins Aargau Kugler (Schweiz)
Original assignee: Lonza AG
Current assignee: Lonza AG
Priority date: 1969-06-05
Filing date: 1970-06-04
Publication date: 1970-12-10
Also published as: US3665244A; NL7008217A; NO128386B; JPS5035399B1; BE751544A; CH493183A; SE362773B; FR2045865A1; GB1300172A

Description

PATENTANWALT 3

5 Kö!n-Lindenthal Peler-Kinigen-Siraße 2 9 Π? 7 ^ A 1

Köln, den 3· Juni 197o LONZA A.G., Gampel/Wallis (Geschäftsleitung: Basel)

Regelung für flussigkeitsstabilisierte Plasmageneratoren

Es sind flüssigkoitsstnbilisierte Plnsmagenerntoren bekannt, die einen Stabilisationskanal für die Bogensäule mit verhältnismässig kleinem Kanaldurchmesser für den Bogen und eine Elektrodenkammer mit grösserem Durchmesser als der des Bogenkanals besitzen. In diesen Plasmageneratoren t wirkt der Druck des von der Bogenentladung herrührenden Plasmas direkt auf die freie Oberfläche der strömenden Stabilisierungsflüssigkeit. Da sich mit der Strömungsintensität des Bogens der Druck des Plasmas ändert, wirkt gegen die Einströmung der Stabilisierungsflüssigkeit ein veränderter Gegendruck. Dieser Gegendruck steigt mit steigender St.röinungsintehöität des liogons beim gegebenen Plasmagenorator an. Als Folge wird bei den heute bekannten flüssigkeitsstabilisierten Plasmageneratoren weniger Flüssigkeit zugeführt und beim Abflussstutzen mehr Flüssigkeit-Gas-Gemisch abgeführt. Dies' bewirkt, dass die Kühlung des Generators mit steigender Belastung immer schlechter wird und mit steigendem Druck mehr Plasmagas aus den Elektrodenkammern abgezogen wird, wodurch die Energieverluste vergrössert werden. Bei einer nicht beabsichtigten Verkleinerung der Leistung - beispielsweise durch einen kleinen Spannungsabfall

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- wird -der Plasmadruck erniedrigt und es wird mehr Stabilisierungsflüssigkeit eingeführt, was dazu führt, dass die Elektrodenkammer ganz mit Flüssigkeit ausgefüllt wird und der Bogen erlischt. Der Belastbarkeit dieser bekannten Generatoren ist somit eine Grenze gesetzt«

Es sind auch Generatorkonstruktionen bekannt, bei welchen beim Auslass der Elektrodenkammer ein Drosselorgan angebracht ist, das nach Zündung des Bogens den Abfluss drosselt. Auch diese Anordnung genügt.den Anforderungen nicht, obwohl die Verluste an Plasmagas verringert wurden. Eine Verschlechterung der Kühlung ist nicht zu verhindern. Diese Anordnung ist ferner auch nur für eine vorbestimmte kleine Bogenleistung anwendbar und unterliegt bei einer zufälligen Verkleinerung der Leistung denselben Gefahren wie vorher beschrieben.

Aufgabe vorliegener Erfindung ist es, die Mangel an den bekannten Plasmageneratoren durch Regelung der Strömungsverhältnisse zu beseitigen«,

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass man durch mindestens eine der·Zuführungsleitungen für die Stabilisierungsflüssigkeit eine, vom jeweiligen Strömungswiderstand des Plasmagenerators unabhängige konstante Menge an Stabilisierungsflüssigkeit in den Plasmagenerator einspeist.

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Vorzugsweise wird man die einzuspeisende Menge an Stabilisierungsflüssigkeit durch ein die durchfliessende Menge messendes Organ (Durchflussmesser), das über einen Impulsgeber mit einem Druckregler verbunden ist, konstant halten;

Als zweckmassig hat sich ferner erwiesen, zusätzlich dazu den Strömungswiderstand (Druck) der abzuführenden gashaltigen Stabiiisierungsflüssigkeit in wenigstens einer der Abzugsleitungen den Druckverhältnissen in der Zuleitung für die Stabilisierungsflüssigkeit anzupassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens" besteht darin, dass man den Strömungswiderstand (Druck) in wenigstens einer der Abzugsleitungen für die abzuziehende Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Durchflussmenge in mindestens einer der Zuführungsleitungen reguliert.

Es ist auch möglich, dass man wenigstens einen Teil der abzuführenden Stabilisierungsflüssigkeit direkt durch eine Pumpe in die Zufuhrleitung zurückführt. Das kann vorteilhaft so geschehen, dass man die abzuführende Flüssigkeit über eine Pumpe abzieht und sie in einen Strömungsteiler unter Druck einbringt. Dort kann über einem Druckregler ein Teil der Flüssigkeit abgelassen werden. Der Hauptteil oder, wenn erwünscht, sogar die ganze Menge wird

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der Zufuhrleitung zudosiert. Das Zudosieren kann so vorgenommen werden, dass die Zudosierleitung zwischen Messorgan und Druckregler in die Zufuhrleitung eintritt. Wird eine konstante Menge zurückgeführt, wobei die Konstanthalrung wiederum über ein Messorgan, gekoppelt mit einem Druckregler, erfolgt, ,kann die Rückfuhrmenge an jedem beliebigen Punkt in die Zufuhrleitung erfolgen. Bei Verwendung von mehreren Zufuhrleitungen für die Stabilisierungsflüssigkeit ist es oft vorteilhaft, mindestens zwei davon zu koppeln. Dadurch kann der Druck der mit der die konstante Menge in den Plasmagenerator einspeisenden Zuleitung gekoppelten Zuleitung verändert werden.

Durch die erfindungsgemässen Massnahmen wird der Regelimpuls direkt vom Plasma-Druck gegeben. Es werden also in geeigneter Weise die Strömungsverhältnisse in Abhängigkeit von der Ursache der Veränderung gesteuert. Die Erfindung erlaubt es, die Strömungsverhältnisse im Stabilisierungskanal und den Elektrodenkammern getrennt zu steuern und ausser dem Druck und der Strömung auch die Temperatur der umlaufenden Stabilisierungsflüssigkeit und der Randzone des Plasma Strahls einzustellen. Die Abführung von unkondensierbaren Gasen, die sich in den Kammern bilden können, sowie eventuell gebildete flüssige oder feste Produkte, die durch Einwirkung des Plasmas auf die Elektroden entstehen, können, ohne den kontinuierlichen Betrieb zu stören, leicht abgeführt werden.

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Nachstehend sind verschiedene Varianten für die Regelanordnung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung aufgeführt.

Figur 1

Ein Plasmagenerator mit einer Elektrodenkammer und einer stabförmigen Elektrode (7) wird durch Zufuhrleitungen bei Einlassen (1) und (3) mit Stabilisierungsflüssigkeit gespeist. Die Stabilisierungsflüssigkeit verlässt zusammen mit im-Generator gebildeten Dämpfen, Gasen und eventuell gebildeten Elektrodenprodukten den Elektrodenraum durch den Ringspalt zwischen den Diaphragmen (8) und (9) und Austrittsöffnung (2). Durch den Ringspalt zwischen Diaphragma (11) und (10) durch Oeffnung (4) wird die Stabilisierungsflüssigkeit aus dem durch Diaphragmen (9), (10), (12) gebildeten Stabilisierungskanal abgeführt.

Durch den Einlass (1) wird über die damit verbundene Zufuhrleitung., die ein Messorgan (6) zur Messung der durchfliessenden Menge (z.B. Venturirohr), gekoppelt über einem Impulsgeber (47) (z.B. Druckleitung), mit einem Druckregler (5) eine vom Druck im Generator unabhängige vorgewählte Menge Stabilisierungslüssigkeit in die Elektrodenkammer eingespeist. Zur Einspeisung einer konstanten Menge Stabilisierungsflüssigkeit in den Stabilisierungskanal wird die Flüssigkeitsmenge bei Einlass (3) über Mengenmesser (23),

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Impulsorgan (47) und Druckregler (22) konstant gehalten.

Die aus dem Elektrodenraum durch Oeffnung (2) abfliessende Stabilisierungsflüssigkeit, die mit Gas und Dämpfen vermischt ist, wird über eine Pumpe (14) abgesaugt und in einen Stromteiler (15) eingedrückt. Der Stromteiler (15) ist mit einer Ableitung (16) für eine periodische Abführung der festen oder flüssigen Elektrodenprodukte versehen. Vom Stromteiler (15) wird ein Teil der Stabilisierungsflüssigkeit über Leitung (17) zwischen Messorgan (6) und Druckregler (5) im Kreislauf zurückgeführt, Ein anderer Teil der Flüssigkeit wird über Regler (18) aus dem Stromteiler abgezogen. Dieser Teil wird zweckmässig so bemessen, dass er die nicht kondensierbaren Produkte enthält.

Durch Oeffnung (4) wird über Pumpe (19) und Druckregler (20) und Mengenmesser (21), gekoppelt mit Impulsorgan (47), die Stabilisierungsflüssigkeit aus dem Stabilisierungsraum in geeigneter Menge entfernt.

Verändert sich nun im Plasmagenerator der Druck an der freien Oberfläche der Stabilisierungsflüssigkeit z.B. im Elektrodenraum, so ändert sich auch .der Druck in (1). Das Messorgan (6) wird dann eine zu kleine Menge messen, diesen zu kleinen Wert an Druckregler (5) weiterleiten und dieser durch Erhöhung des Druckes dafür sorgen, dass die Menge konstant bleibt.

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Durch die Anordnung Zufluss (1, 6, 5) in Kombination mit Ableitung (2, 14, 15, 17, 18) ist eine konstante Druckdifferenz zwischen Zufuhrleitung und Abflussleitung, unabhängig vom absoluten Druck, gewährleistet.

Figur 2

In diesem Fall wird die Zuführungsleitung zum Einlass (3) mit der Zuführungsleitung zum Einlass (1) gekoppelt. Bei Einlass (1) wird eine konstante Menge, geregelt durch Mengenmesser (6), Impulsgeber (47) und Druckregler (5) in den Elektrodenraum eingebracht. Die Zufuhr zum Einlass (3) in den Stabilisierungskanal wird entweder durch einen Druckregler (25) oder durch die Verbindung (24) gesteuert. Im ersten Fall wird der Druck im vorbestimmten Verhältnis zu dem in der Zuleitung zu (1) herrschenden Druck reguliert. Im zweiten Fall wird die Zufuhr durch Anschluss zwischen (5) und (6), mit gleichem Druck als sich in der Zufuhröffnung (1) einstellt, gesichert.

Der Abzug der Flüssigkeit aus dem Elektrodenraum erfolgt durch Oeffnung (2), Pumpe (14), Stromteiler (15). Durch den Druckregler (28), der über die Verbindung (29) vom Druck in Zuleitung zu Oeffnung (1) gesteuert wird, wird die konstante Druckdifferenz zwischen Oeffnung (2) und Druckregler (25), unabhängig vom jeweiligen Druck in der Elektrodenkammer, gesichert. Die Menge zurückzuführender Flüssig-.

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keit (heiss) wird durch die Regelanordnung (Mengenmesser (27)., Druckregler (26) und Impulsgeber (47) vorgewählt und dadurch die Temperatur der Flüssigkeit in der Elektrodenkammer geregelt.

Die Abführung des Gas/Dampf/Flüssigkeit-Gemisches bei (4) wird über den Regler (30) gesteuert, der eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Ausmündung des Diaphragmas (11) und der Auslassöffnung (4) sichert. Das Ablassventil (16) des Stromteilers (15) wird über Regler (31) mit konstantem Druchfluss für einen ununterbrochenen Abzug eines Teils der aus der Elektrodenkammer kommenden Flüssigkeit gesteuert.

Figur 3

In dieser Variante wird ein Teil der aus Ocffnung

(2) kommenden Stabilisicrungsflüssigkeit in die Zufuhrleitung zu Einlass (3) für die Stabilisierungskammer zurückgeführt. Dadurch wird die Stabilisierungskammer mit in der Elektrodenkammer vorerhi ^zter Flüssigkeit gespeist. Diese Zuleitung kann entweder durch die Regelanordnung (Mengen- " messer (2), Druckregler (26) und Impulsgeber (47) oder auf einen auf einem der in der Zuleitung zu Oeffnung (1) proportionalen Druck, der durch Regler (28) mit Verbindung

(29) zur Zuleitung (1) gesteuert wird, geregelt werden. Das aus Oeffnung (4) abfliessende Flüssigkeitsgemisch (mit

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Gas, Dampf) wird durch den Druchflussregler (35) gesteuert, der seinen Impuls von den Durchflussmengen zur Oeffnung (3) durch Das Sollwertelement (Mengenregler (32) erhält.

Figur 4

In dieser Variante wird die Zuflussmenge für den Stabilisierungska'nal zur Oeffnung (3) durch Mengenmesser (23) und Druckregler (22) konstant gehalten. Der Druck vor der Zuflussoeffnung (1) wird eine entweder durch Druckregler (36) oder durch die Verbindung (37) zwischen den Regelele menten (23) und (22) eingestellt. Regler (38), der vor dem Saugstutzen der Pumpe (14) angebracht ist, sorgt für Konstanz der Druckdifferenzen zwischen Abfluss aus Oeffnung (2) und Zuflüssen zu den Einlassen (1) oder (3).

Figur 5 .

In dieser Variante werden nur zwei Regelorgane benützt. Die Regelung des Abflusses aus Oeffnung (4) geschieht wie in Vari nten 1 und 4. Die Zudosierung zu den Einlassen (1) und (3) sowie der Abzug aus Oeffnung (2) der Elektrodenkammer über die Pumpe (14) erfolgen über das Druckgefäss (43). Dieses Gefäss übernimmt die Funktion des Druckreglers (40) und die des Stromteilers. Die Zuflussmenge zur Einlassöffnung (1) wird dabei mit dem Mengenmesser (6) durch die Einwirkung der Feder (39) und Membrane (38) auf den Druckregler (40) (Ueberflussventil) konstant gehalten. Der je-

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weils sich nach dem in der Elektrodenkammer herrschende Druck einstellende Druck vor dem Druckregler (40) ist immer gleich für die Zufuhr nach Oeffnung (1) und (3); ebenso für den Gegendruck für Pumpe (14). Damit wird auch die Druckdifferenz zwischen den Zufuhrleitungen und Abfuhrleitung (oeffnung (2) konstant gehalten.

Beispiel

Zum Vergleich wurde ein flüssxgkeitsstabxlisierter Plasmagenerator, wie in Abbildung 1 gezeigt, einmal ohne Regelanordnung und'dann mit den Regelanordnungen gemäss Varianten 1 bis 5 betrieben. In allen Fällen wurde die das System verlassende Stabilisierungsflüssigkeit kalorimetrisch untersucht. Die Ein- und Abflussmengen der Stabilisierungsflüssigkeit waren in allen Fällen vor der Zündung des Bogens gleich, ebenso die Temperatur der Flüssig- ψ keit. Stromstärke und Bogenspannung wurden in allen Fällen gemessen. Die Stromstärke war in allen Fällen gleich hoch eingestellt. Bei einer Stromstärke von 5OO A war bei Betrieb des Generators ohne Regeleinrichtung die Spannung am Bogen 320 V, die dem Bogen zugeführte Energie betrug somit 160 kW. Der in der aus den Oeffnungen (2) und (4) abfliessende Flüssigkeit gemessene Kühlverlust war 80 kW. Der Verbrauch der einen Druchmesser von 13 mm aufweisenden Graphitkathode betrug 27 mm/min.

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Im Vergleich dazu wurden bei Betrieb des Generators mit Regeleinrichtung folgende Werte erhalten:

gcmäss Variante	U(v)	W (kW)	Kühlverlust (kW).	Elektrodenver- braueh mm/min
1	400	200	38	3
2	42O	210	40	2,8
3	45O	225	45	3,2
4	380	190	35	2,5
5	38O	190	35	2,5

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Claims

2Q-27 U Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung der Strömungsverhält-

nisse in einem flüssigkeitsstabilisierten Plasmagenerator, dadurch gekennzeichnet, dass man durch mindestens eine der Zufuhrleitungen für die Stabilisierungsflüssigkeit eine, vom jeweiligen Strömungswiderstand des Plasmagenerators unabhängige konstante Menge an Stabilisierungsflüssigkeit in den Plasmagenerator einspeist.

2. Regelanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach P.'j tentanspruch 1, gekennzeichnet durch in I ti— dosten;; oi.n Moüüor^an ((>), (23), (27) zur Messung der durchflLessenden Menge an StabiliesierungsflüssLgkn it in mindestens einer der Zuleitungen (1), (3) für d.'.e Stabilisierung.sflüssigkeit, das mittels eines Impulsgebers. (47) mit mindestens einem Druckregler (b), (22), (26), (40) verbunden ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die einzuspeisende Menge an Stabilisierungsflüssigkeit durch ein die durchfliessende Menge messendes Organ, das über einem Impulsgeber mit einem Druckregler verbunden ist, konstant hält.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch

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gekennzeichnet, dass man den Strömungswiderstand (Druck) der abzuführenden Stabilisierungsflüssigkeit in wenigstens einer der Abzugsleitungen den Druckverhältnissen in der Zuleitung für die Stabilisierungsflüssigkeit anpasst.

5. Verfahren nach Patentanspruch ¹I und 3, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strömungswiderstand (Druck) in wenigstens einer der Abzugsleitungen für die abzuziehende Flüssigkeit in Abhängigkeit von deren Durchflussmenge in mindestens einer der Zufuhrleitungen reguliert.

(>. Vcrf.Ίΐιη,.τι nnnh Patentanspruch .1, 3 und Ί, 'Wi- , durch gi.'konnzuLehnet, das:; man wenigstens einen Teil der abzuführenden Stabilisierungsflüssigkeit direkt durch eine Pumpe in die Zufuhrleitung zurückführt.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3-6, dadurch gekonnzeichnet, dass man in einer der Zufuhrleitungen für die Stabilisierungsflüssigkeit eine vom jeweiligen Strömungswiderstand des Plasmagenerators unabhängige konstante Menge an Stabilisierungsflüssigkeit einspeist und durch Kopplung mit einer weiteren Zufuhrleitung den Druck in lauterer verändert.

8. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3 - 5, dadurch

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gekennzeichnet, dass man-die abzuziehende Stabilisiorungsflüssigkeit mindestens in einer der Ableitungen über eine Pumpe in einen Strömungsteiler abgezogen wird und wenigstens· ein Teil der abgezogenen Flüssigkeitsmenge aus dem Strömungsteiler unter Druck in die Zuführungsleitung eingeführt wird, wobei, wenn die in die Zuführungsleitung einzuspeisende Menge Stabilisierungsflüssigkeit nicht über einen getrennten Regler konstant gehalten wird, die Rückführung zwischen dem Messorgan und dem Druckregler der Zuführungsleitung erfolgt..

9. Regelanordnung gemäss Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens ein Messorgan. (21) zur. Messung der abzuziehenden Menge Flüssigkeit, gekoppelt mit einem Impulsregler (47) und einem Druckregler (20), (26).

10. Regelanordnung nach Patentanspruch 2 und 7, gekennzeichnet durch mindestens eine Pumpe (14) in mindestens einer Abflussleitung (2), (4), mindestens einem Strömungsleiter (15), an dem mindestens ein Druckregler (18) ₎ (31) angebracht ist, und mindestens eine Zuleitung zur Rückführung der Stabilisierungsflüssigkeit in die Zuleitung (1), (3) zwischen Messorgan (6)

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(.23) und Druckregler (5), (22).

11. Regelanordnung nach Patentanspruch 2 und 7, gekennzeichnet durch mindestens eine Pumpe (14) in mindestens einer Abflussleitung (2), (4)y mindestens einen Stromteiler (15), an dem mindestens ein Drückregler (18), (31) angebracht ist, und mindestens ein Messorgan (27), gekoppelt durch Impulsgeber (47), mit einem Druckregler (26) und einer Zuleitung zur Rückführung einer konstanten Menge der Stabilisierungsflüssigkeit in die Zuleitung (1), (3) und einen Druckregler (28) mit Impulsregler (29) zur Regulierung des Druckes der zu verwerfenden Flüssigkeit in Abhängigkeit mit dem Druck In der Zuleitung (I)₅ (.3).

12. Regelanordnung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Pumpe (14), ein Druckgefäss (43), mit Druckregler (4), das die Funktion des Stromteilers erfüllt, eine Leitung (41) zur Ableitung der abzuführenden Stabilisierungsflüssigkeit von Pumpe (14) in das Druckgefäss (43).

X/ih 4097-4108
11.5.1970

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