CS272760B2 - Device for gas electric heating - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro elektrický ohřev plynů v podobě plazmového generátoru.

V průmyslových procesech se používá horkých plynů k přenosu tepelné energie a/nebo jako účastníků chemických reakcí, objem plynů bývá zpravidla velmi velký a proto jsou vysoké i náklady na manipulaci, často by mohlo být množství plynu značně sníženo za předpokladu, že by bylo možné zvýěit entalpii plynu nebo hustotu energie v plynu.

□eden způsob zvyěování objemu energie v plynu spočívá v ohřátí plynu ve výměníku tepla, protože věak účinnost přenosu energie do plynu je ve výměnících tepla nízká, nepředstavuje tento způsob příliš úspěšné řešení. Jiný způsob spočívá například ve spalování fosilních paliv pro přímý ohřev plynu. Má-li však být plyn účasten v chemické reakci, spalování bývá pro přímý ohřev nevhodné, protože plyn by se znečistil v té chvíli, kdy se změní složení. Určité chemické procesy, zejména metalurgické, vyžadují mimořádně vysoké teploty, tj. v blízkosti l 000 až 3 000 °C, a/nebo dodávání obrovských množství energie při řízeném množství kyslíku. V takových případech by měly být procesy řiditelné také změnou množství plynu právě tak, jako změnou entalpie plynu při zachování objemu plynu a s řízeným množstvím kyslíku. Za určitých okolností je nezbytná možnost přesného řízení množství plynu, například když plyn obsahuje jednu nebo několik složek zúčastněných v chemických reakcích.

Byla vyvinuta četná zařízení k uspokojení všech těchto požadavků a bylo shledáno, že použití elektrického oblouku pro vytváření plazmatu představuje mimořádně užitečnou techniku. Z amerického pat. spisu č. 3 301 995 je znám plazmový generátor, který má dvě vodou chlazené elektrody uložené axiálně s mezerou za sebou, jedna má jeden uzavřený konec a druhá je na obou koncích otevřená, dále trysku uspořádanou u otevřené elektrody, vodou chlazenou komoru s průměrem značně větším než průměr elektrod a průměr mezery mezí elektrodami, ústrojí ve stěně komory pro vstřikování plynu do komory a trubku s tryskou k řízení proudícího plynu, který má být ohříván v komoře. Kolem elektrod mohou být také uspořádány magnetické budicí cívky, které vyvolávají rotaci pat elektrického oblouku.

Americký pat. spis č. 3 705 975 popisuje samostabilizační plazmový generátor na střídavý proud s mezerou mezi dvěma osově od sebe oddálenými elektrodami, přičemž mezera je dostatečně úzká, aby dovolovala nové zapálení elektrického oblouku v každé půlperiodě.

V tomto plazmovém generátoru je elektrický oblouk dmýchán do komory v elektrodě a přichází do styku s plynem, který má být ohříván. Mezi elektrodami je přepážka a v ní jsou uspořádány kanály, vytvořené tak, aby dodávaly plynu vysokou úhlovou rychlost i osovou složku rychlosti, která dmýchá elektrický oblouk do reakění komory.

Americký pat. spis č. 3 360 988 se týká konstrukce plazmového generátoru se segmentovým ohraničeným průchodem mezi anodou a katodou. Obloukovou komoru lze charakterizovat jako nadzvukovou trysku, která činí uspořádání vhodným pro vyhřívání aerodynamického tuneluj katoda leží ve směru proudění před tryskou a anoda za tryskou, jsou sestaveny z elektricky vodivých isolovaných segmentů a vytvářejí kruhový útvar, zatímco tryska tvoří protáhlý úzký průchod s konstantním průměrem, kterým musí procházet elektrický oblouk.

Popsané typy plazmového’generátoru mají však určitá omezení a nevýhody.

Použití dvou elektrod oddělených od sebe přívodem plynu znamená, že délka elektrického oblouku, a tím i napětí jsou určeny průtokem plynu. Ke zvýšení napětí, a tím i výkonu při konstantním proudu se musí.průtok plynu zvýšit, čímž se sníží entalpie odcházejícího plynu.

Při normálním přetlaku 0,1 až 1 MPa je napětí poměrné nízké, řádově 1 000 V, Jedinou cestou ke zvýšení výkonu je proto zvýšeni intenzity proudu. To má však za následek kratší životnost elektrod.

U segmentových kanálů, tedy tam, kde se střídají desky izolační s deskami elektrodovými, je možné napětí, a tím i výkon omezen, protože průtok vrstvy chladného plynu podél stěny je přerušován a elektrický oblouk se proto stáčí dolů příliš záhy. Také je riziko, že mÍ3to aby elektrický oblouk procházel středem kanálu, bude přeskakovat poměrně tenké izolační desky mezi deskovými elektrodami.

Dosavadní plazmové generátory jsou v prvé řadě určeny k laboratorním účelům a nejsou pro svou složitou konstrukci příliš vhodné pro použití v průmyslu. To se týká obzvláště segmentových typů plazmových generátorů, které vyžadují obrovský počet přípojek pro chladivo, přívodů plynu atd.

Vynález odstraňuje nevýhody dosavadních řešení a jeho předmětem je zařízení pro elektrický ohřev plynů v podobě plazmového generátoru s válcovými elektrodami, z nichž jedna je na jednom konci uzavřená a druhá je na obou koncích otevřená a které jsou připojeny ke zdroji proudu k vytváření elektrického oblouku mezi elektrodami, a s přívody plynu, podstata vynálezu spočívá v tom, že mezi elektrodami je vložen nejméně jeden mezikus a plynové přívody jsou uspořádány mezi každou elektrodou a mezikusem i mezi jednotlivými mezikusy. Délka mezikusů je 100 až 500 mm, s výhodou 200 až 400 mm.

Podle vynálezu jsou u uzavřeného konce jednostranně uzavřené elektrody v její stěně uspořádány plynové přívody spojené s regulátorem proudění plynu, který je také spojen s ply novými přívody mezi jednostranně uzavřenou elektrodou a sousedním mezikusem. Plynové přívody jsou tvořeny štěrbinami na obvodu generátoru, jejichž šířka leží v rozmezí 0,5 až 5 mm. Alternativně mohou být plynové přívody ve tvaru šikmých plynových kanálů uspořádány v kruhovém prstenci a skloněny k jeho průměru pod úhlem pC větším než nula, s výhodou mezi 35° až 90°. Účelně jsou elektrody a mezikusy opatřeny přípojkami pro plyn a chladivo v podobě rychlospojek.

K vyvolání rotace paty elektrického oblouku mohou být kolem elektrod uspořádány magnetické budicí cívky, popřípadě permanentní magnety k vytváření magnetického pole. K rotaci proudícího plynu je podle vynálezu alespoň jeden mezikus vytvořen jako zvyšovací stupeň průměru, obrácený svým větším průměrem do hlavního směru průtoku plynu, přičemž poměr průměru vstupu a výstupu zvyšovacího stupně činí 0,5 až 1, zejména 0,7 až 0,9. Podobný účinek lze dosáhnout elektromagnetem nebo jeho ekvivalentem, který je uspořádán na obvodu mezikusu a vytváří magnetické pole kolmé k elektrickému oblouku.

plazmový generátor podle vynálezu má vysoký výkon a účinnost při dlouhé životnosti elektrod, je konstrukčně jednoduchý a spolehlivý a hodí se proto pro použití v průmyslu.

Další výhody a charakteristiky vanálezu vyplynou z následujícího popisu v souvislosti s připojenými výkresy, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno zařízení podle vynálezu, na obr. 2 je znázorněn schematický řez plynovým přívodem, vedený rovinou II-II z obr, 1, na obr, 3 je schematicky znázorněno druhé provedení vynálezu se zvyšovacím stupněm průměru a na obr, 4 je schematicky znázorněno třetí provedení vynálezu s magnetickou cívkou k vytváření příčného magnetického pole.

Obr. 1 znázorňuje schematicky první provedení zařízení podle vynálezu pro elektrický ohřev plynů. Zařízení l obsahuje dvě válcové elektrody 2, 3, z nichž první elektroda 2 má uzavřený vnější konec 4 a druhá elektroda 3 má otevřený vnější konec 5, a mezikusy 6, 7 uspořádané mezi elektrodami 2, 3. Ve znázorněném provedení jsou mezikusy 6, 7 dva, ale jak počet, tak i délka mezikusů se dá měnit, jak bude ještě vysvětleno.

Mezi každou elektrodou 2, 3 a sousedním mezikusem 6, 7 jakož i mezi mezikusy 6, 7 jsou mezery 8, 9, 10 tvořící plynové přívody pro přívod plynu. Další plynový přívod 11 je spořádán v blízkosti uzavřeného konce 4 první elektrody 2.

Elektrody 2, 3 i mezikusy 6, 7 jsou chlazeny vodou, jak je naznačeno přívodními trubkami 12 a odváděcími trubkami 13 pro vodu. Elektrody 2, 3 i mezikusy 6, 7 jsou zejména z mědi nebo slitiny mědi.

Elektrody 2, 3 jsou připojeny k neznázorněnému zdroji proudu, aby mezi nimi hořel axiálně elektrický oblouk 20. Každá elektroda 2, 3 je obklopena magnetickou .budicí cívkou 21, 22 nebo permanentním magnetem pro vytváření magnetického pole, které uvádí do rotace paty 23, 24 elektrického oblouku 20.

Většina plynu k ohřevu do generátoru je zaváděna plynovým přívodem 8 mezi jednostranně uzavřenou elektrodou 2 a sousedním mezikusem 6. Část tohoto plynu proudí k uzavřenému

CS 272760 02 konci 4 elektrody 2 a umožňuje tedy přemísťování paty 23 oblouku 22 v axiálním směru dmýcháním. z toho hlavního průtočného množství plynu lze část oddělit a zavádět do generátoru plynovým přívodem 11 v blízkosti zavřeného konce 4 elektrody-Plynový přívod 11 je vytvořen tak, aby plyn proudil v podstatě v hlavním směru průtoku, tedy od jednostranně uzavřené elektrody 2 k oboustranně otevřené elektrodě 5. Pomocí regulátoru 25 průtoku lze měnit relativní množství plynu, přiváděné plynovým přívodem 8 a 11, a tedy přemísťovat vratně patu 23 oblouku 20. Tím se značně sníží opotřebení elektrod 2, 3, Tohoto dmýcbacíbo úěinku lze také využít ke změně délky elektrického oblouku 20, a tím k urěité změně energie v elektrickém oblouku 20.

Plyn protékající plynovými přívody 8, 9, 10 brání, aby se elektrický oblouk 20 nestočil příliš brzy ke stěně generátoru, vtékající plyn má rychlost s tečnou složkou a osovou složkou. Na vnitřních stěnách elektrod 2, 3 a mezikusů 6, 7 proudí chladnější rotující vrstva plynu, která obklopuje elektrický oblouk 20, který probíhá v podstatě v ose válcového prostoru. K vytváření této chladnější vrstvy plynu je proto plyn dmýchán plynovými vstupy 8, 9, 10 uspořádanými podél dráhy elektrického oblouku 20.

Když se proud plynu přiblíží k výstupu oboustranně otevřené elektrody 3, druhá pata 24 elektrického oblouku 20 přeskočí na stěnu této elektrody 3. Průměrná teplota vytékajícího plynu může ležet mezi 2 000 až 10 000 °C, což závisí na energii elektrického oblouku 20 a množství vytékajícího plynu za časovou jednotku,

3ak ukazuje obr. 2 plynový přívod může být tvořen kruhovým prstencem 31 s kanály 32 . rozdělenými po jeho obvodě. Kanály 32 jsou uspořádány tak, aby jejích úhel cí»vzhledem k poloměru prstence 31 byl větší než 0°, zejména 35 až 90°.

průřez kanálů 32 má být takový, aby rychlost plynu byla alespoň 50 m.s ,

3e překvapující, že několik málo plynových přívodů poměrně daleko od sebe podél dráhy elektrického oblouku 20 může zabránit, aby se příliš brzy nestočil ke stěně. Oe také překvapující, že tím lze zabránit, aby elektrický oblouk 20 nezvolil odlišnou dráhu, tedy přee mezikusy, a nepřeskočil plynové přívody.

Pokusy bylo zjištěno, že tepelná ztráta plynu na délkovou jednotku se podél mezíkusů 6, 7 zvětšuje, protože ochranný účinek vrstvy chladného plynu se zmenšuje se vzdáleností od vstupu plynu, protože se zmenšuje rotace plynu a k ohřevu 3těn dochází proto rychle j i.

Obr. 3 znázorňuje obměnu provedení podle vynálezu, přičemž stejné součásti jsou označeny stejně jako na obr. 1, V prvním mezikuse 6 je uspořádán zvyšovací stupeň 41 průměru, za kterým mohou být uspořádány zvyšovací přídavné stupně. Vlastní zvyšovací stupeň 41 průměru může mít proměnnou strmost a ve znázorněném provedení má tvar komolého kužele, jehož vrcholový úhel je zvolen tak, aby umožňoval v podstatě hladký průtok. Poměr mezi průměrem před a za zvyšovacíra stupněm 41 činí 0,5 až 1. Zvyšovací stupeň 41 průměru způsobí, že se střed rotace plynu pohybuje v podstatě po spirálové dráze, takže elektrický oblouk 20 bude proto také procházet chladnějším plynem, jak je označeno v místě 42 na obr. 3.

Obr. 4 znázorňuje třetí provedení vynálezu, odlišné od obr. 1 pouze v tom, že kolem mezikusu £ je uspořádán elektromagnet 51 nebo jeho ekvivalent tak, že vznikající magnetické pole, vyznačené siločarami 52, působí na část elektrického oblouku 20. Tak, jak je elektromagnet 51 uspořádán na výkresu, bude magnetické pole 52 působit na elektrický oblouk 20, aby se otáčel ven směrem k pozorovateli za současného šroubovitého pohybu v místě 53, vyvolávaného rotujícím plynem.

Pro další vysvětlení vynálezu bude v následujícím popsáno několik pokusů.

Příklad X

Byla prováděna měřeni s mezikusem dlouhým 200 mm v zařízení podle vynálezu. Vodní chlazeni bylo rozděleno do čtyř separátních jednotek, z nichž každá ochlazovala segment mezikusu o délce SO mm. Bylo zjištěno, že vzrůst teploty oněch čtyř segmentů činil jednotCS 272760 B2 livě 3,8 °C, 3,9 °C, 4,2 ⁰ C a 5,3 °C. Oak lze vidět, došlo ke značnému vzestupu teploty, uváží-li se, že voda protékala podél mezikusu v mezeře široké asi 0,1 mm. Voda tedy protékala přes segmenty mimořádně vysokou rychlostí.

Příklad II

Za stejných podmínek jako v příkladě I, avšak s průtokem plynu vyšším o 20 %, došlo k následujícímu vzrůstu teploty : 3,8 °C, 3,9 °C, 4,1 °C a 4,8 °C.

Z těchto, pokusů je jasné, že průtok plynu má velký vliv na tepelnou ztrátu z plynu do mezikusů, a také to, že zvýšením průtoku plynu asi o 20 % v plynových přívodech uspořádaných podél generátorů se účinnost zlepší asi o 10 %.

Zařízení pro elektrický ohřev plynu podle vynálezu může být sestrojeno s pevnou délkou elektrického oblouku a s dlouhými mezikusy, protože izolující vrstva plynu může sahat přes celou délku generátoru, což velmi redukuje tepelné ztráty plynu do stěn elektrod a me zikusů.

Vytvořením mezikusů jako modulů s rychlospojkami pro přívod plyn a vody může být zařízení snadno přizpůsobeno různým požadavkům na výkon. Pro vysvětlení jsou v dalším uvedeny údaje o vlivu úbytku napětí na délku generátoru.

Úbytek napětí v generátoru je závislý na řadě různých činitelů, například na složení «•1 množství a entalpii plynu, pro většinu aplikací leží v blízkosti 15 až 25 V.cm .

Hlavně pro malé opotřebení elektrod by neměla intenzita proudu převyšovat 2 000 A.

při uvedeném omezení byly jednotlivé délky elektrického oblouku 1 až 1,6 m a 2,5 až 3 m pro celkový výkon jednotlivě 5 a io MW.

Elektrody bývají obvykle dlouhé 200 až 400 mm a sestrojením mezikusů o vhodné délce a jako modulů lze měnit celkový výkon po vhodných stupních. Mezikus má mít délku 100 až 500 mm, s výhodou 200 až 400 mm.

Příklad III

Pro pokus byly použity za shodných podmínek dva rozdílné plazmové generátory, přičemž jediný rozdíl mezi nimi spočíval v tom, že jeden z nich měl zvyšovací stupeň průměru s poměrem ^Dpf;_e(j/^Dza^0í73' ^zat7mc0 druhý měl po celé délce jednotný průměr.

O

V první sérii pokusů s průtokem plynu 500 m za hodinu a intenzitou proudu i 700 A bylo získáno napětí 1 630 V v plazmovém generátoru bez zvyšovacího stupně a napětí 1 820 V v plazmovém generátoru se zvyšovacím stupněm.

V druhé sérii pokusů s průtokem plynu 486 m za hodinu a intenzitou proudu i 500 A byla napětí 1 680 a l 850 V. '

Příklad IV

Byla provedena řada pokusů s plazmovým generátorem, opatřeným dvojicí cívek k vytváření magnetického pole kolmo ke dráze elektrického oblouku, kromě magnetického pole použitého k rotaci pat elektrického oblouku. Následující tabulka uvádí napětí při různé intenzitě proudu protékajícího magnetickou cívkou.

O

Průtok plynu v generátoru byl 905 m za hodinu a intenzita proudu byla 1 800 A.

Tabulka

magnetická cívka (A)	^plazmový generátor (kV)	Zvýšení účinnosti (%)
0	2,1	-
100	2,16	0,4
200	2,25	1,0
300	2,32	1,4

příkladů III a IV je jasné, že při zachování výkonu mohou být plazmové generátory mnohem kompaktnější. To má velký význam pro jejich průmyslové využití. Přirozeně mohou být provedení s magnetickým polem a zvyšovacími stupni průměru kombinována, proud spotřebovaný v přídavné magnetické cívce představuje pouze zlomek celkového příkonu a může být při výpočtu spotřeby energie zanedbán.

Třeba poznamenat, že při provedení s příčným magnetickým polem zvyšuje použití magnetického pole jak účinnost zařízení, tak entalpi odcházejícího plynu. To je velmi překvapující, protože při konvenčních způsobech ohřevu znamenala zvýšená entalpie plynu nižší stupen účinnosti.

Podle vynálezu mohou být konstruovány plazmové generátory s mimořádně vysokou účinností, přičemž zůstávají stále ještě ovladatelné. Lze v nich dosáhnout stejnoměrné rozložení teploty a přitom zachovat chladnou vrstvu plynu podél stěny. U konvenčních plazmových generátorů je zpočátku elektrický oblouk mimořádně horký a rozsáhlá chladná vrstva podél stěny vytratila se však velmi rychle vlivem ztrát zářením a nestejnoměrného průtoku.

konstrukčního hlediska je zařízení podle vynálezu jednoduché, s malým počtem konstrukčních prvků a s relativně malým počtem přípojek. 3e proto mimořádně spolehlivé v provozu. Dokonce i když je použito až pěti mezikusů, jsou tak dlouhé, že v podstatě neruší průtok plynu po délce generátoru.

Claims (13)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. 2ařízení pro elektrický ohřev plynů v podobě plazmového generátoru s válcovými elektrodami, z nichž jedna je na jednom konci uzavřená a druhá je na obou koncích otevřená a které jsou připojeny ke zdroji proudu k vytváření elektrického oblouku mezi elektrodami, a s přívody plynu, vyznačující se tim, že mezi elektrodami (2, 3) je vložen nejméně jeden mezikus (6, 7) a plynové přívody (8, 9, 10) jsou uspořádány mezi každou elektrodou (2, 3) a mezikusem (6, 7) i mezi jednotlivými mezikusy (6, 7).
2. 2. 2ařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že délka mezikusů (6, 7) je 100 až 500 mm, s výhodou 200 až 400 mm.
3. 3. 2ařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že u uzavřeného konce (4) jednostranně uzavřené elektrody (2) jsou v její stěně uspořádány plynové přívody (li) spojené s regulátorem (25) proudění plynu, který je také spojen s plynovými přívody (8) mezi jednostranně uzavřenou elektrodou (2) a sousedním mezikusem (6).
4. 4. 2ařízení podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že plynové přívody (8 až 11) jsou tvořeny štěrbinami na obvodu generátoru, jejichž šířka leží v rozmezí 0,5 až 5 mm.
5. 5. 2ařízení podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že plynové přívody (8 až 11) sestávají ze šikmých plynových kanálů (32), uspořádaných v kruhovém prstenci (31) a skloněných k jeho průměru pod úhlem eZ, větším než nula, s výhodou mezi 35° až 90°.
6. 6. 2ařízení podle bodu 3, vyznačující se tím, že plynové přívody (8) mezi jednostranně uzavřenou elektrodou (2) a sousedním mezikusem (6) směřují k uzavřenému konci (4) této elektrody.
7. 7. 2ařízení podle bodů 1 až 6, vyznačující se tím, že obsahuje pět mezikusů (6, 7) a jeho délka činí 2 m.
8. 8. Zařízení podle bodů 1 až 7, vyznačující se tím, že elektrody (2, 3) a mezikusy (6, 7) jsou vyrobeny z mědi nebo ze slitiny mědi.
9. 9. Zařízení podle bodů 1 až 8, vyznačující se tím, že kolem elektrod (2, 3) jsou uspořádány magnetické budicí cívky (21, 22), popřípadě permanentní magnety k vytváření magne tického pole pro rotaci pat elektrického oblouku.
10. 10. Zařízení podle bodů 1 až 9, vyznačující se tím, že elektrody (2, 3) a mezikusy (6, 7) jsou opatřeny přípojkami pro plyn a chladivo v podobě rychlospojek.
11. 11. Zařízení podle bodů 1 až 10, vyznačující se tím, že alespoň jeden mezikus (6, 7) je vy tvořen jako zvyšovací stupeň (41) průměru, obrácený svým větším průměrem do hlavního směru průtoku plynu.
12. 12. Zařízení podle bodu 11, vyznačující se tím, že poměr průměru vstupu a výstupu zvyšovacího stupně (41) činí 0,5 až 1, zejména 0,7 až 0,9.
13. 13. Zařízení podle bodů 2 až 12, vyznačující se tím, že na obvodu mezikusu (6, 7) je uspořádán elektromagnet (51) nebo jeho ekvivalent k vytváření magnetického pole (52) kolmé· ho k elektrickému oblouku.