DE3304790A1

DE3304790A1 - Verfahren zur stabilisierung des niedertemperatur-plasmas eines lichtbogenbrenners und lichtbogenbrenner zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE3304790A1
Application number: DE19833304790
Authority: DE
Inventors: Petr Dipl.-Ing. Praha Kroupa; Jaromir Dipl.-Ing. Polidor; Josef Dipl.-Ing. Szabó; Zden&ecaron;k Tlu&ccaron;ho&rcaron;; Karel Dipl.-Ing. Zv&ecaron;&rcaron;ina
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1982-02-15
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1983-09-01
Also published as: GB2157139A; SE8300744D0; SE448509B; AU556484B2; AU1137983A; IT1163102B; SE8300744L; GB8509935D0; GB2157139B; GB2116810A; AU583149B2; US4639570A; FR2521813B1; IT8319571A0; CA1215095A; US4531043A; GB8303890D0; FR2521813A1; AU6270386A; GB2116810B

Description

Ceskoslovenskä akademie ved Prag, CSSR

Verfahren zur Stabilisierung des Niedertemperatur-Plasmas eines Lxchtbogenbrenners und Lichtbogenbrenner zu seiner Durchführung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Niedertemperatur-Plasmas in einem Lichtbogenbrenner und einen Lichtbogenbrenner zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei bekannten durch eine Flüssigkeit stabilisierten Lichtbogenbrennern, die einen Strom eines Niedertemperatur-Plasmas erzeugen, brennt in dem Kanal zwischen der Kathode und der Anode ein Lichtbogen, der durch einen Wirbel der eingespritzten Flüssigkeit umhüllt und dadurch stabilisiert wird. Dabei wird zur Stabilisierung eines solchen Niedertemperatur-Plasmas zum Schutz des den Kanal

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umgebenden Materials gegen die Hitze des elektrischen Lichtbogens und des Plasmas, zum Schutz der Kathode gegen Oxidation und zur Bildung des eigentlichen Plasmas ein und dieselbe Flüssigkeit benutzt. Bevorzugt wird ionisiertes Wasser in das Stabilisierungssystem durch Tangentialeinlässe zugeführt, die in der nahen Umgebung der Kathode und zwischen den einzelnen Blenden des Stabilisierungssystems angeordnet sind. Abgeleitet wird die Flüssigkeit durch schlitzförmige Auslaßöffnungen. In dem Stabilisierungssystem entsteht ein Wirbel, in dessen Zentrum der elektrische Lichtbogen brennt und dessen Dicke zur Ausbildung des Plasmas, wie auch zur Kühlung des Stabilisierungssystems ausreicht. Der Einsatz von Wasser als einziger Stabilisierungsflüssigkeit zum Erreichen aller geforderten Funktionen ist eine gewisse Kompromißlösung, die zwar die Konstruktion und den Betrieb des Plasmagenerators vereinfacht, auf der anderen Seite allerdings die Möglichkeiten der Erreichung höherer Plasmatemperaturen beschränkt, den Verschleiß der Kathode erhöht und durch Beeinflussung des reduktiven Charakters des rekombinierten Plasmas die Anwendung des Generators auf gewisse Typen von Plasmaspritzen beschränkt, vor allem im Breich der Oxidkeramik.

Aus der DE-OS 20 28 193 ist ein kompakter Lichtbogenbrenner bekannt, der eine Kathode mit einer sie umhüllenden Anordnung und ein System von Düsen und Zwischenringen aufweist und in dem zur Ausbildung eines Flüssigkeitswirbels Einlasse und zwei Auslässe angebracht sind. Diese konstruktive Ausbildung des Brenners zwingt zum Einsatz nur einer einzigen Stabilisierungsflüssigkeit, so daß die technisch zweckmäßigen Möglichkeiten einer Verwendung von zwei Stabilisierungsflüssigkeiten nicht genutzt werden können.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stabilisier mg eines Niedertemperatur-Plasmas aufzuzeigen, das die Nachteile und Beschränkungen, die sich aus dem Einsatz nur einer einzigen Stabilisierungsflüssigkeit im Lichtbogenbrenner ergeben, behebt und die Anwendungsmöglichkeiten eines Brenners für ein breiteres Spektrum von Spritz-Materialien verbessert.

Gemäß der Erfindung wird der Plasmabogen durch zwei verschiedene Flüssigkeiten stabilisiert, wobei die erste Flüssigkeit ihn in der Entladekammer des Brenners stabilisiert und ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthält. Die zweite Flüssigkeit stabilisiert den Lichtbogen im Stabilisierungskanal des Brenners und ist von der ersten Flüssigkeit verschieden. Es ist von Vorteil, wenn die Dissoziationsenergie der in die Entladekammer des Brenners zugeführten Flüssigkeit niedriger ist als die der Flüssigkeit, welche den Stabilisierungskanal durchströmt, und wenn diese eine höhere Dissoziationsenergie als Wasser hat.

Der Lichtbogenbrenner gemäß der Erfindung hat eine um eine Stangenelektrode angeordnete Entladekammer, einen durch ein System von Düsen und Ringen gebildeten Stabilisierungskanal und eine äußere Anode sowie Kreisläufe für die Stabilisierungsflüssigkeit. Zwischen der Entladekammer und dem Stabilisierungskanal ist ein Übergangsraum ausgebildet, in dem ein schlitzförmiger Auslaß für zumindest eine der zwei Stabilisierungsflüssigkeiten angebracht ist. Die tangentialen Flüssigkeitseinlässe sowohl in die Entladekammer als auch in den Stabilisierungskanal

sind an Druckleitungen angeschlossen. Mit Vorteil kann sich im Übergangsraum eine Blende befinden.

Durch geeignete Kombination zweier oder auch mehrerer verschiedener Stabilisierungsflüssigkeiten kann eine wesentliche Erhöhung der Betriebsparameter in mehreren Richtungen erzielt werden. In der Entladekammer, d. h. im Kathodenteil des Stabilisierungssystems, ergibt der Einsatz von Stabilisierungsflüssigkeiten mit chemisch gebundenem Kohlenstoff eine Beseitigung des unerwünschten Abbrandes der Kohlenkathode durch Oberflächenoxidation. Durch Einsatz von Stabilisierungsflüssigkeiten mit höherem Gehalt an chemisch gebundenem Kohlenstoff und Stickhoff werden die unerwünschten Oxidationswirkungen der Stabilisierungsmedien unterdrückt, wodurch auch Metall-Elektroden, z. B. aus Wolfram-Thorium-Legierungen, eingesetzt werden können, was bei herkömmlichen flüssigkeitsstabilisierten Lichtbogen-Plasmabrennern praktisch ausgeschlossen war. Durch Nutzung von Flüssigkeiten, deren Dissoziationsenergie über der des Wassers liegt, können die Leitungsparameter eines Brenners gesteigert werden, und zwar kann in erster Linie die Temperatur des rekombinierten Plasmas erhöht werden. Durch geeignete Kombination der Stabilisierungsflüssigkeiten kann einerseits die Startwilligkeit des Lichtbogenbrenners verbessert und der Kathodenabbrand vermieden werden und gleichzeitig'kann andererseits im Stabilisierungskanal die Temperatur des Plasmas erhöht werden, wobei sich ferner eine Unterdrückung des unerwünschten Oxidations- oder ReduktionsCharakters des rekombinierten Plasmas ergibt. Die verlängerte Kathodenlebensdauer und die Erhöhung der Leistungs- und Güteparameter des Lichtbogenbrenners und des generierten Plasmas führen

zu einer Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der flüssigkeit-stabilisierten Lichtbogen-Plasmabrenner.

Die Konstruktion des Lichtbogenbrenners gemäß der Erfindung ermöglicht die Anwendung zweier oder mehrerer Stabilisierungsflüssigkeiten, hierdurch eine geringere Kathodenoxidation bei gleichzeitig verbesserter Wärmeabfuhr, eine bessere Startwilligkeit des Generators, eine Temperatursteigerung des rekombinierten Plasmas. Die Anordnung der Flüssigkeitsauslässe lediglich in einem Raum zwischen der Entladekammer und dem Stabilisierungssystem ermöglicht, daß die Flüssigkeit in der Entladekammer in Richtung von der Kathode zur Anode strömt, was sich in einer besseren Bogenstabilität niederschlägt. Im Stabilisierungskanal verläuft die Strömung von der Anode .zur Kathode, was zu einer Erhöhung der Generatorleistung beiträgt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lichtbogenbrenner anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Lichtbogenbrenner mit einem Übergangsraum und einer Blende im Querschnitt,

Fig. 2 einen Lichtbogenbrenner mit einem freien Übergangsraum im Querschnitt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, enthält der Lichtbogenbrenner 1 einen Übergangsraum 2 mit einer Blende 3, der den Raum in einen Stabilisierungskanal 7 und in eine Entladekammer 5 unterteilt, die eine Stangenkathode 6 umgibt. In der Mündung des Stabilisierungskanals 7 sitzt

eine Düse 8 und in seinem Inneren sind Stabilisierungsblenden 9 angeordnet. In die Entladekammer 5 münden tangentiale Einlasse 10 für eine Stabilisierungsflüssigkeit und in den Stabilisierungskanal 7 tangentiale Einlasse 11 für eine zweite Stabilisierungsflüssigkeit. Beide Gruppen von Einlassen 10 bzw. 11 sind an gesonderte Druckleitungen 15, 16 angeschlossen. Der Lichtbogenbrenner 1 weist einen Auslaß 12 aus der Entladekammer 5 und einen zweiten Auslaß 13 aus der Stabilisierungskammer auf, die zu beiden Seiten der Blende 3 angeordnet sind.

Bei dem Lichtbogenbrenner nach Fig. 1 mit einer Graphitkathode wird in den Kathodenteil des Stabilisierungssystems Styrol eingeleitet, dessen Siedepunkt bei 145 ⁰C liegt und das in der den verbleibenden Teilen zugeführten Flüssigkeit, d. h. in Wasser, unlöslich ist. Beide Flüssigkeiten strömen ungemischt in Richtung von der Kathode zur Anode und erhöhen wesentlich die Lebensdauer der Kathode bei gleichzeitiger Intensivierung des Plasmastroms.

Ferner wurde bei dem Lichtbogenbrenner nach Fig. 1 mit einer Graphitelektrode in den Kathodenteil des Stabilisierungssystems Nitrobenzol eingeleitet, dessen Siedepunkt 211 ⁰C beträgt und das in Wasser unlöslich ist, das in die verbleibenden Teile des Stabilisierungssystems eingeführt wurde. Beide Flüssigkeiten strömten in Richtung von der Kathode zur Anode und vermischten sich im Stabilisierungssystem. Es ergaben sich ähnlich günstige Wirkungen wie bei der Kombination Styrol-Wasser.

Bei dem Lichtbogenbrenner 1 nach Fig. 2 hat der Übergangsraum die Form eines Schlitzes 4. Der Auslaß 12 aus dem Stabilisierungskanal 7 und der zweite Auslaß 13 aus

der Entladekamitier 5 sind an den entgegengelegenen inneren Wänden des Schlitzes 4 in unterschiedlichen Entfernungen von der Achse des Lichtbogenbrenners 1 angebracht, wobei sich diese Entfernungen aus den physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Flüssigkeiten ergeben. Beide Auslässe 12 und 13 können auch durch eine einzige Auslaßöffnung ersetzt werden. Im Raum der Düse 8 ist bei diesem Stabilisierungssystem ein Hilfsauslaß 14 aus dem Stabilisierungskanal 7 angebracht, der die Verluste an Stabilisierungsflüssigkeit herabsetzt.

Auch mit diesem Lichtbogenbrenner wurden mehrere Kombinationen von Stabilisierungsflüssigkeiten getestet. Der Lichtbogenbrenner nach Fig. 2 besaß eine Wolfram-Thorium-Kathode. In den Kathodenteil seines Stabilisierungssystems wurde Toluidin eingeleitet, dessen Siedepunkt 201 C beträgt und das in der in die verbleibenden Teile des Stabilisierungssystems zugeführten Flüssigkeit, in diesem Falle in Toluol mit einem Siedepunkt von 111 C, löslich ist. Durch Orientierung des Toluidinstromes von der Kathode zur Anode und der des Toluolstromes in entgegengesetzter Richtung stieg die Stabilität des Lichtbogens an und gleichzeitig erhöhte sich auch die Anzahl der rekombinierten Teilchen.

Bei dem Lichtbogenbrenner nach Fig. 2 wurde auch eine Graphitkathode eingesetzt und in den Kathodenteil seines Stabilisierungssystems Äthylalkohol mit einem Siedepunkt von 78 ⁰C eingeführt, der in der in die verbleibenden Teile des Stabilisierungssystems eingeführten Flüssigkeit, d.h. in Pikolin mit einem Siedepunkt von 144 ⁰C, löslich ist. Diese Kombination trug wesentlich zu einer markanten Verbesserung der Startwilligkeit des Generators bei.

Es haben sich auch andere Arten von Stabilisierungsflüssigkeiten, wie z. B. Methylalkohol, Äthylnitrat usw., bewährt. Bei allen angeführten Kombinationen der Stabilisierungsflüssigkeiten wurde eine Erhöhung der Lebensdauer der Kathode um 30 bis 35 % verzeichnet, bei einer gleichzeitigen etwa 20 %-igen Erhöhung der Temperatur der rekombinierten Plasmas.

Claims

ANSPRÜCHE

1/ Verfahren zur Stabilisierung eines Niedertemperatur-Plasmas in einem Lichtbogenbrenner, bei dem eine Stabilisierungsflüssigkeit in die Entladekammer und in den Stabiliserungskanal des Brenners eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die Entladekammer des Brenners eine erste Stabilisierungsflüssigkeit eingeführt wird, die chemisch gebundenen Kohlenstoff oder/und Stickstoff enthält, und daß in den Stabilisierungskanal des Brenners eine zweite Stabilisierungsflüssigkeit eingeführt wird, deren Siedepunkt sich von dem Siedepunkt der ersten Stabilisierungsflüssigkeit unterscheidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die in die Entladekammer eingeführte erste Stabilisierungsflüssigkeit eine niedrigere Dissoziationsenergie hat als die in den Stabilisierungskanal eingeführte zweite Flüssigkeit, die eine höhere Dissoziationsenergie als Wasser hat. '
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Stabilisierungsflüssigkeit in Richtung von der Kathode zur Anode und die zweite Stabilisierungsflüs-

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sigkeit von der Anode in Richtung der Kathode strömen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Stabilisierungsflüssigkeit chemisch gebundenen Kohlenstoff in Mengen von 37 bis zu 93 Massenprozenten enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Stabilisierungsflüssigkeit chemisch gebundenen Kohlenstoff in Mengen von 25 bis zu 80 Massenprozenten und chemisch gebundenen Stickstoff in Mengen von 10 bis zu 25 Massenprozenten enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Stabilisierungsflüssigkeit chemisch gebundenen Kohlenstoff in Mengen von 50 bis zu 93 Massenprozenten und die zweite Stabilisierungsflüssigkeit chemisch gebundenen Kohlenstoff in Mengen von 25 bis zu 80 Massenprozenten und chemisch gebundenen Stickstoff in Mengen von 10 bis zu 25 Massenprozenten enthält.
7. Lichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einer Entladekammer mit einer Stangenkathode, aus einem Stabilisierungskanal mit einem System von Düsen und Ringen, aus einer äußeren Drehanode und aus einem Umlauf für eine Stabilisierungsflüssigkeit sowohl in der Entladekammer als auch im Stabilisierungskanal,

dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen der Entladekammer (5) und dem Stabilisierungskanal (7) ein Übergangsraum (2) ausgebildet ist, in dem zumindest ein spaltartiger Auslaß (4) für zumindest einen Umlaufkreis einer der Stabilisierungsflüssigkeiten angeordnet ist, wobei tangentiale Einlasse (10 bzw. 11) in die Entladekammer (5) und in den Stabilisierungskanal (7) an zwei Druckleitungen (15, 16) für Stabilisierungsflüssigkeiten angeschlossen sind.
8. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß in dem Übergangsraum (2) eine Blende (3) angeordnet ist, die die spaltförmigen Auslässe (12 und 13) aus der Entladekammer (5) und aus dem Stabilisierungskanal (7) voneinander trennt.
9. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 7 oder 8/ dadurch gekennzeichnet,

daß die spaltförmigen Auslässe (12; 13) aus der Entladekammer (5) und aus dem Stabilisierungskanal (7) an den entgegengesetzten Seiten der den Übergangsraum (2) abgrenzenden Wänden und in unterschiedlichen Entfernungen von der Achse des Lichtbogenbrenners (1) angebracht sind.
10. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß in dem Raum vor der Stirndüse (8) Zusatzauslässe (14) für die Stabilisierungsflüssigkeit zu beiden Seiten des Stabilisierungskanals (7) angebracht sind.