DE2651185A1 - Kuehleinrichtung bei einem plasmabrenner - Google Patents
Kuehleinrichtung bei einem plasmabrennerInfo
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Description
- Kühleinrichtung bei einem Plasmabrenner
- Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung bei einem Plasmabrenner mit einer an einem Düsenstock befestigten Düse und einem Düse und Düsenstock umgebenden Gehäuse, wobei zwischen Gehäuse und Düsenstock mindestens ein Zuführ- und ein Abführkanal für das die Düse außen umströmende Kühlmittel vorgesehen ist.
- Bei Plasmabrennern der vorgenannten Art weist der Plasmastrahl Temperaturen im Bereich von 2000 bis 30000C auf.
- Hierdurch ist es erforderlich, die Düse, aus welcher der Plasmastrahl austritt, zu kühlen. Bei den bekannten Brennerkonstruktionen ist die Kühlung jedoch nicht ausreichend, denn die am meisten bei diesen Brennern auftretende Schadensursache ist ein An- und Ab schmelzen der Düse.
- Es sind verschiedene Kühlsysteme zum Kühlen der Düse bekannt. Eine Konstruktion besteht darin, daß die Düse von einem Einsatz umgeben ist, der sternförmig auf den Düsenaußenmantel gerichtete Bohrungen aufweist. Über einen axial verlaufenden Zuführkanal strömt das Kühlmedium von einer Seite des Einsatzes durch die Bohrungen hindurch und tritt an der anderen Seite des Einsatzes wieder aus. Von dort wird es über einen axial verlaufenden Abführkanal abgeführt. Der Bereich der Düsenaußenfläche, der hierbei im Kontakt mit dem Kühlmittel steht, ist relativ gering. Diese Fläche ist in jedem Fall wesentlich kleiner als die Düseninnenfläche. Weiter ist von Nachteil, daß, bedingt durch den komplizierten Aufbau, zahlreiche Dichtringe vorgesehen werden müssen.
- Weiter ist von Nachteil, daß von der Düse eine erhebliche Wärmemenge auf den die Düse haltenden Düsenstock übertragen wird, der seinerseits Wärme auf das Gehäuse überträgt, wobei Düsenstock und Gehäuse nur unzureichend gekühlt sind.
- Bei einem anderen Plasmabrenner wird über eine axial verlaufende Bohrung das Kühlmittel einem Ringkanal zugeführt, welcher die Düse umgibt. Dem Zuführkanal gegenüber liegt ein im Ringkanal mündender Abführkanal. Auch hier sind die gleichen Nachteile wie vorstehend genannt zu verzeichnen. Insbesondere bilden sich im Ringkanal Bereiche, bei denen die Kühlmittelströmung gering ist, da das Kühlmittel bestrebt ist, auf dem direkten Wege vom Zu- zum Abführkanal zu strömen.
- Bei den vorgenannten Plasmabrennern ist weiterhin nachteilig, daß bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel sich Dampfblasen bilden können, welche vom Kühlmittel nicht oder nur unzureichend abgeführt werden. Dies führt zu einer sofortigen Überhitzung im Bereich der Dampfblasenbildung. Um die Kühlleistung zu erhöhen, ist man deshalb gezwungen, den Kühlmitteldurchsatz zu erhöhen, was bedeutet, daß das Kühlmittel unter entsprechend hohem Druck zugeführt werden muß. Durch die zahlreichen Durchtrittsspalte und Verengungen im Kühlmitteldurchflußsystem sind jedoch dem Kühlmitteldurchsatz Grenzen gesetzt.
- Bei den bekannten Plasmabrennerkonstruktionen ist allgemein festzustellen, daß die Konstruktionen so ausgelegt sind, daß die Düsenaußenfläche möglichst klein ist.
- Weiterhin ist zu vermerken, daß einer wesentlichen Wärmeabfuhr über den Düsenstock mittels des Kühlmittels keine Beachtung geschenkt wurde.
- Es besteht daher die Aufgabe, die Kühleinrichtung so auszubilden, daß die Wärmeabfuhr wesentlich erhöht wird, wodurch ein Versagen der Düse vermieden wird. Hierdurch soll es möglich sein, bei gleichbleibender Leistung den Brenner in seinen Abmessungen verkleinern bzw. bei unveränderter Brennergröße soll es möglich sein, die Leistung zu erhöhen, ohne daß dabei ein Versagen der Düse auftritt.
- Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dem Wärmeübergang von der Düse und vom Düsenstock auf das Kühlmittel durch Vergrößern der dem Kühlmittelstrom ausgesetzten Flächen zu verbessern. Insbesondere soll auch der Düsenstock intensiv gekühlt werden, da durch die metallische Verbindung zwischen Düse und Düsenstock auf diesem Düsenstock eine beträchtliche Wärmeleitung erfolgt.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch Gehäuse, Düse und Düsenstock; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 ein weiterer Schnitt entsprechend Fig. 1; Fig. 4 Ausführungsbeispiele von Kühlmittelkanälen; Fig. 5 die in eine Ebene abgewickelte Mantelfläche des Düsenstocks; Fig. 6 eine weitere Abwicklung gemäß Fig. 5; Fig. 7 eine weitere Abwicklung entsprechend Fig. 5 mit einer alternativen Strömungskanalanordnung und der schematischen Darstellung des Kühlmittelverlaufs im Bereich der Düsenaußenseite und Fig. 8 einen Schnitt durch eine Düse.
- In Fig. 1 umgibt das Gehäuse 1 den Düsenstock 2, an dessen Vorderseite die Düse 3 angeordnet ist. Der Düsenstock 2 und die Düse 3 bestehen aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Elektrode unedle Zuführkanäle für das plasmabildende Gas sind der Übersichtlichkeithalber weggelassen.
- Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Düsenstock 2 sind mehrere Kühlmittelkanäle 4,5 vorgesehen. Erfolgt beispielsweise die Kühlmittelzufuhr über den Kanal 4, dann wird das Kühlmittel über eine Bohrung 6 der Außenseite der Düse zugeführt, welche verrippt gestaltet ist. Von der Außenseite der Düse wird sodann das Kühlmittel über einen Kanal 5 abgeführt. Zu diesem Zweck ist zwischen der Außenseite der Düse 3 und dem Kanal 5 eine Verbindungsbohrung 7 vorgesehen.
- Gemäß Fig. 2 strömt das Kühlmittel über die Kanäle 4 zu.
- Über die Verbindungsbohrungen 6 an der Vorderseite des Düsenstocks 2 gelangt das Kühlmittel jeweils in eine radiale bogenförmige Ausnehmung 8 an der Außenseite der Düse 3. Nach Durchströmen dieser Ausnehmung tritt das Kühlmittel jeweils über die Verbindungsbohrung 7 in den Abführkanal 5 ein, von wo es abgeführt wird. Die Stege zwischen den bogenförmigen radialen Ausnehmungen 8 bilden hierbei Rippen.
- Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 8 in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diese Ausnehmungen gestaffelt in zwei oder mehr Ebenen anzuordnen.
- Die Kanäle 4,5 sind vorzugsweise am Außenmantel des Düsenstocks 2 angebracht. Es ist jedoch auch möglich, die Kanäle an der Innenseite des Gehäuses 1 vorzusehen.
- Verschiedene Kanalformen zeigt die Fig. 4. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4a haben die Kanäle dreieckförmigen Querschnitt. Solche Kanäle sind vorzugsweise an der Mantelfläche des Düsenstocks 2 angeformt. Gleiches gilt bezüglich der Kanäle nach Fig. 4b, die einen halbkreisförmigen Querschnitt haben. Sind solche halbkreisförmigen Kanäle am Gehäuse 1, dann ist vorzugsweise eine Ausbildung nach Fig. 4c zu wählen. Gleiches gilt bezüglich der Ausführungsform nach Fig. 4d, wobei es sich um Kanäle quadratischen Querschnitts handelt. Sind also die Kanäle an der Gehäuseinnenseite, dann sollten wegen einer alten Wärmeleitung zwischen dem Düsenstock 2 und dem Gehäuse 1 Auflagestege zwischen den Kanälen vorhanden sein.
- Die Führung des Kühlmittels durch die Kanäle ist schematisch in den Fig. 3 und 5 dargestellt. Gemäß Fig. 3 fließt das Kühlmittel über den Kanal 4 zu und über den Kanal 5 ab, der an seinem hinteren Ende eine querverlaufende Abflußbohrung 9 aufweist. Das über den Kanal 4 zufließende Kühlmittel gelangt über die Bohrung 6 zur schematisch dargestellten Ausnehmung 8 und von dort über die Bohrung 7 zum Abführkanal 5 Index 1. Das hintere Ende des Abführkanals 5 Index 1 ist über einen Querkanal 10 mit einem weiteren Zuführkanal 4 Index 1 verbunden. Vom Kanal 4 Index 1 gelangt das Kühlmittel über die Bohrung 6 Index 1 in die Ausnehmung 8 Index 1 und von dort über die Bohrung 7 Index 1 in einen weiteren Abführkanal 5 Index 2.
- Diese zick-zack-förmige Führung des Kühlmittels wiederholte sich so lange, bis das Kühlmittel über die Abflußbohrung 9 abgeführt wird.
- Eine weitere Kühlmittelführung ist in Fig. 6 gezeigt.
- Von einem Ringkanal 11 gehen mehrere Zuflußkanäle 4 ab, von denen dann jeweils über eine Bohrung 6 das Kühlmittel einerAusnehmung 8 zugeführt wird, von wo sie über eine Bohrung 7 in einen Abführkanal 5 gelangt. Alle Abführkanäle 5 weisen an ihrem hinteren Ende eine Abflußbohrung 9 auf.
- Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß z.B.
- der Düsenstock 2 an seiner Mantelaußenseite zwei wendelfdrmige Kanäle in Form einer Doppelwendel aufweist.
- Über einen der-wendelförmigen Kanäle wird das Kühlmittel zu-und über den anderen Kanal das Kühlmittel abgeführt. Die Düse weist in diesem Fall mindestens einen Ringkanal gemäß Fig. 7 auf. Dieser Ringkanal 12 ist über eine Bohrung 6' mit dem wendelförmigen Zuführkanal verbunden während der Ringkanal über eine Bohrung 7' mit dem wendelförmigen Abführkanal verbunden ist. Der Kanal 12 weist eine Trennwand 13 auf.
- Neben dieser Trennwand münden die Bohrungen 6' und 7' in den Kanal 12.
- Das Kühlmittel kann auch so geführt sein, wie die obere Hälfte der Fig. 7 zeigt. Bevorzugt an der Außenseite des Düsenstocks 2 sind mehrere ringförmige Kanäle 14 angebracht. Diese Kanäle 14 weisen jeweils zwei rennwände 15 auf, wodurch jeder Ringkanal 14 in zwei eilringkanäle 18,18' aufgeteilt wird. An jedem Ende eines Teilringkanals ist eine Verbindungsbohrung vorgesehen, wobei die eine Verbindungsbohrung zum einen axial benachbarten Teilringkanal führt, und die andere Verbindungsbohrung zum anderen axial benachbarten Teilringkanal eine Verbindung herstellt. Hierbei sind die Verbindungsbohrungen benachbarter Teilringkanäle versetzt zueinander angeordnet. In Fig. 7 sind die Verbindungsbohrungen 17 den Teilringkanälen 18' und die Bohrungen 16 den Teilringkanälen 18 zugeordnet. Das bei 17 einströmende Kühlmittel durchströmt den einen Teilringkanal 18', tritt über die Bohrung 17 in den nächsten axial benachbarten Teilringkanal, der dann im Gegenstrom durchströmt wird. Am Ende tritt dann das Kühlmittel über die Bohrung 6' in den Ringkanal 12 und strömt von dort über die Verbindungsbohrung 7' aus, wobei es dann über die Teilringkanäle 18 und die Verbindungsbohrungen 16 längs der Mantelfläche des Düsenstocks zurückströmt.
- Die Düse kann an ihrer Außenseite mit entsprechenden Kanälen 14' versehen sein, wie in Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben. Der vorderste Kanal jedoch ist ein Ringkanal entsprechend dem Kanal 12 gemäß Fig. 7.
- Alternativ hierzu können die Ringkanäle 14 jeweils mit zwei Trennwänden versehen sein, die jeweils einen axial verlaufenden Kanal begrenzen, der die Rippen zwischen den Ringkanälen 14 durchschneidet. Jeder Ringkanal hat an einem Ende eine Verbindungsbohrung zum einen benachbarten und am anderen Ende eine Verbindungsbohrung zum anderen benachbarten Ringkanal. Die Verbindungsbohrungen benachbarter Kanäle sind versetzt zueinander angeordnet. Der axial verlaufende Kanal dient als Zuführkanal des Kühlmittels zur Düse, während die Ringkanäle, die durch die Verbindungsbohrungen miteinander verbunden sind, als Abführkanäle für das Kühlmittel dienen. In allen Ausführungsbeispielen ist gewährleistet, daß die vom Kühlmittel umströmte Oberfläche der Düse sehr groß ist. Weiterhin wird bewußt eine gute Wärmeleitung zwischen der Düse und dem Düsenstock hergestellt, sowie die vom Kühlmittel umströmte Fläche sehr groß gemacht, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Düsenstock und dem Kühlmittel zu erreichen.
- Als Kühlmittel findet in erster Linie Wasser Verwendung.
- Die Kühlung kann jedoch auch von anderen Flüssigkeiten bewirkt werden, wie beispielsweise Öl. Daneben ist die Verwendung von Gasen bzw. Gasgemischen, wie beispielsweise Pressluft oder von verflüssigten Gasen möglich.
- Eine turbulente Strömung des Kühlmittels wird weitgehend vermieden.
- Die Fig. g zeigt ein Beispiel einer Kühlmittelführung, wie sie alternativ im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben wurde. Der axial zur Düse verlaufende Zuführkanal ist mit 4 bezeichnet. Die Rückführung erfolgt zickzackförmig über die Ringkanäle 14 und die Ringkanäle verbindenden Bohrungen 16. Bei der Düse ist jeweils die Verbindungsbohrung 7 einer bogenförmigen radialen Ausnehmung 8 verbunden über ein Kanalstück 19 mit der Verbindungsbohrung 6 der benachbarten radialen Ausnehmung 8.
- Auf diese Weise wird im Bereich der Düse das Kühlmittel von der einen Ausnehmung 8 zur anderen Ausnehmung 8 geführt und tritt letztlich nach Durchströmen aller Ausnehmungen 8 in die Ringkanäle 14 ein.
- Bezüglich der Kühlmittelführung an der Düse zeigt Fig. 10 eine entsprechende Ausbildung. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind jedoch axial verlaufende RückfUhrkanäle 20 vorgesehen.
- Ansprüche
Claims (20)
- AnsprUche Kühleinrichtung bei einem Plasmabrenner mit einer an einem Düsenstock befestigten Düse und einem Düse und Düsenstock umgebenden Gehäuse, wobei zwischen Gehäuse und Düsenstock mindestens ein Zuführ-und ein Abführkanal für das die Düse außen umströmende Kühlmittel vorgesehen ist, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Gehäuse und Düsenstock mehrere, die Wärmeübergangsfläche des Düsenstocks erhöhende Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, und die Außenseite der Düse verrippt gestaltet ist, wobei zwischen den Rippen der Kühlmittelstrom zwangsweise zwischen dem jeweiligen Zuführ- und Abführkanal geführt ist.
- 2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Gehäuse und Düsenstock mehrere in Achsrichtung verlaufende Kanäle vorgesehen sind, wobei in der einen Hälfte der Kanäle das Kühlmittel der Düse zu- und in der anderen Hälfte der Kanäle das Kühlmittel von der Düse abgeführt wird.
- 3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Kanal an eine Zuführleitung und mindestens ein weiterer an eine Abführleitung angeschlossen ist und die restlichen, jeweils benachbarten Zu- und Abführkanäle paarweise über Querkanäle an der Düsenstockhinterseite miteinander verbunden sind.
- 4. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zuführkanäle in einer gemeinsamen Zuführleitung und die Abführkanäle in einer gemeinsamen Abführleitung münden.
- 5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Düse radiale Ausnehmungen an ihrer Außenseite aufweist, in denen jeweils ein Zu- und Abführkanal mündet.
- 6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Ausnehmungen in einer gemeinsamen Ebene quer zur Dusenachse angeordnet sind.
- 7. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Ausnehmungen in mehreren Ebenen quer zur Düsenachse angeordnet sind.
- 8. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Ausnehmungen bogenförmig ausgebildet sind.
- 9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß Zu- und Abführkanäle als Doppelwendel ausgebildet sind.
- 10. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß Ringkanäle vorgesehen sind, die jeweils durch zwei Trennwände unterteilt sind.
- 11. Kühleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zwei Trennwände jeweils einen axial verlaufenden Kanal begrenzen, der die Rippen zwischen den Ringkanälen durch schneidet und jeder Ringkanal an einem Ende eine Verbindungsbohrungzim einen benachbarten und am anderen Ende eine Verbindungsbohrung zum anderen benachbarten Ringkanal aufweist und die Verbindungsbohrungen benachbarter Kanäle versetzt zueinander angeordnet sind.
- 12. Kühleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß jeder Teilringkanal an einem Ende eine Verbindungsbohrung zum anderen benachbarten und am anderen Ende eine Verbindungsbohrung zum anderen axial benachbarten Teilringkanal aufweist und die Verbindungsbohrungen benachbarter Teilringkanäle versetzt zueinander angeordnet sind.
- 13. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ringkanalanordnung sich in den Bereich der Düsenaußenseite fortsetzt.
- 14. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorderste Ringkanal an der Düsenaußenseite nur eine Trennwand aufweist und beidseits dieser Trennwand je eine Verbindungsbohrung mündet.
- 15. Kühleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Düse nur einen Ringkanal aufweist.
- 16. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanäle einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.
- 17. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanäle einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
- 18. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanäle einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
- 19. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanäle an der Düsenstockaußenseite angeformt sind.
- 20. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanäle an der Gehäuseinnenseite angeformt sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19762651185 DE2651185A1 (de) | 1976-11-10 | 1976-11-10 | Kuehleinrichtung bei einem plasmabrenner |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19762651185 DE2651185A1 (de) | 1976-11-10 | 1976-11-10 | Kuehleinrichtung bei einem plasmabrenner |
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DE2651185A1 true DE2651185A1 (de) | 1978-05-11 |
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