DE1928617A1

DE1928617A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ionisieren eines Gases in UEberschallstroemung

Info

Publication number: DE1928617A1
Application number: DE19691928617
Authority: DE
Inventors: Mairice Barillot; Michel Denis
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1968-06-06
Filing date: 1969-06-06
Publication date: 1969-12-11
Also published as: FR1593006A; GB1242788A; NL6908663A; BE734229A; LU58778A1; DE1928617B2; US3620946A; DE1928617C3

Description

PATENTANWÄLTE DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖN WALD DR.-IN6. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLOPSCH KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

3. 6. 1969 Sch-Sg/cg

INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERUROIE PRANCAISE, I85, rue President Roosevelt, St. GERMAIN EN LAYE, (Yvelines), Frankreich.

SOCIETE CHIMIQUE DES CHARBONNAGES,

9* Avenue Percier, Paris 8, Frankreich.

Verfahren und Vorrichtung zum Ionisieren eines Gases in

überschallströmung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ionisieren eines Gases in überschallströmung, wobei zum Zweoke der Durchführung chemischer Reaktionen im Gasstrom elektrische Entladungen vorgenommen werden·

Diese Entladungen müssen mit großer Energie erfolgen. In einer bekannten Vorrichtung unterwirft man einen auf Überschallgeschwindigkeit gebrachten Gasstrom einer elektrischen Entladung. Hierbei wird eine entlang der Achse des Gasstromes angeordnete und mit einem Hochspannungsgenerator verbundena Elektrode verwandt. Untersucht man MUgEHSMt eine alternierende Entladung,die während einer Period© an den Klemmen der Elemente auftritt _s zwischen denen die Entladung stattfindet, so ©teilt man fest» daß die Spannung bis auf

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einen Wert V₁ anwächst und dann steil abfällt und sich dann bis zum Ende der Periode auf einem mittleren Wert von V« hält. Dieser Ablauf tritt periodisch auf und wiederholt sich ständig. Diese Art der Spannungsänderung 1st durch die Tatsache zu erklären, daß das in der Strömung befindliche Gas zunächst nichtleitend 1st; die Spannung steigt bis auf einen Wert, bei dem die freien Elektronen eine hinreichende Energie zum Ionisieren des Oases haben. Daraufhin wird das Gas leitend, und die Spannung fällt plötzlich auf den Wert Vg, der demjenigen Spannungswert entspricht, der erforderlich 1st, um die Entladung in dem ionisierten Gas aufrechtzuerhalten. Man stellt daher fest, daß es erforderlicht ist, für jede Periode eine Zündspannung V₁ zu erzeugen, die höher ist als die zum Aufrechterhalten der Entladung benötigte Spannung V₂* Versuche haben gezeigt, daß V₁ ziemlich genau den dreifachen Wert wie V₂ hat. Daraus folgt, daß zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer konstanten Entladung in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas überdimensionierte Generatoren zur l^sou» gung einer Spannung benötigt werden, die etwa dreimal n© hoch ist, wie die zur Aufrechterhaltung der Entladung benötigte Spannung. Des weiteren sieht man sich gezwungen^ den Strom der Anordnung durch Einschalten eines Widerstand des in den Entladekreis zu begrenzen, wodurch ein Leistungen verlust eintritt,oder eine Induktionsspule einzusetzen. Zm zweiten Falle wird der cos f der Anlage verschlechtertο Wenn die Gasströmung dagegen ständig Ladungsträger ein« schließt, d.h. wenn sie ionisiert ist, ist es möglich, zur Durchführung der Entladung einen Generator zu verwenden* d«r eine nur geringfügig oberhalb von V₂ liegende Sparmmig liefert,

Ks wurde bereits ein Verfahren vorgesehlagen, bei d©rai ©las erste Entladung in einer Überschali-Gasströmung zvA

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ORI8SNÄL !MSPECTED

einer Düse und einer axialen Elektrode stattfindet. Hierbei benutzt man die durch die Entladung hervorgerufene Ionisierung, um eine zweite Entladung in einem jenseits der Stoßwelle angeordneten Rekompressionskollektor durchzuführen, d.h. in einem Bereich, in dem die Gasströmung von neuem Überschallgeschwindigkeit hat,'um bestimmte chemische Umsetzungen in dem Gasstrom stattfinden zu lassen.

Dabei hat man stets festgestellt, daß bei bestimmten Reaktionen (beispielsweise bei der Umsetzung von Biian in Acet-ylen) eine Gasentladung im Unterschallbereich des Gasstromes eine noch stärkere chemische Umsetzung zur Folge hat, ebenso wie am Ausgang des Rekompressionskollektors. Man fand einen großen Anteil an Kohlenstoff und Hydrogen, die in dem genannten Fall als parasitäre Pro« dukte betrachtet wurden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die eingeführtes Gas in einer definierten Reaktion umgesetzt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen einer Überschalldüse und einem Rekompressionskollektor mindestens eine Uberschallkammer mit einer Einschnürung gebildet wird, in deren Höhe eine auf am Düsenausgang erzeugte Stoßwellen zurückzuführende Ablenkung des Gasstromes entsteht, und daß zwischen einer vom Gasstrom umgebenen axial ausgerichteten Elektrode und einer außerhalb des Gasstromes angeordneten Hilfselektrode eine elektrische Entladung durchgeführt wird, derart, daß die durch die Entladung erzeugten an den Rand des Gasstromes gedrängten Ionen in Höhe der Einschnürung infolge der auf die Stoßwelle zurückzuführenden Stromablenkung in das Innere des Gasstromes gedrängt werden.

Damit wird erreicht, daß in einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas Ladungsträger erzeugt werden, bevor

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die elektrische Entladung, die dazu bestimmt ist, chemische Umsetzungen in dem Gas hervorzurufen, stattfindet.

Die elektrische Hilfsentladung kann oberhalb der Einschnürung des Gasstromes in unmittelbarer Nähe des Rekompresslonskollektors durchgeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Uberschalldüse auf einem solchen' elektrischen Potential, daß ihre Potentialdifferenz zu der axialen Elektrode größer ist als die Potentialdifferenz zwischen der axialen Elektrode und Massepotential der Vorrichtung, wobei die Hilfsentladung am Ende der Düse zwischen der Düse und der vom Gasstrom umschlossenen Elektrode erfolgt, und die elektrische Hauptentladung findet in demjenigen Teil des Rekompressionskollektors statt, in dem sich die Stoßwelle aufbaut.

Die zur Durchführung der Hilfsentladung angelegte elektrische Spannung kann ferner derart gegenüber der zur Durchführung der Hauptentladung angelegten elektrischen Spannung phasenverschoben sein, daß sich eine maximale Hilfsentladung ergibt, wenn die Spannung für die Hauptentladung einen Wert annimmt, der etwa der zur Aufrechterhaltung der Entladung in dem ionisierten Gas erforderlichen Spannung entspricht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ionisieren eines Gases in Überschallströmung mit mindestens einer in einen Entspannungsraum einmündenden UberschalldUse, einem in DUsenriohtung hinter dem Entspannungsraum angeordneten Rekompressionskollektor und einer in axialer Richtung durch die Düse führenden Elektrode, die sich bis zum Eingang des Rekompressionskollektors erstreckt, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine im Gasstrom eine Querentladung zur axialen Elektrode verursachende Hilfselektrode vorgesehen ist.

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Hierbei kann die in dem Entspannungsraum angeordnete Hilfselektrode einen aus leitfähigem Material bestehenden, abdichtend in einer an der Wand des Entspannungsraumes befestigten Führung gleitenden Halter besitzen, der gegen die Führung elektrisch isoliert 1st, wobei der Halter an seinem Ende mit einer in den Entspannungsraum hineinragenden metallischen Verlängerung ausgestattet ist. Vorteilhaft besteht die Verlängerung aus einem exzentrisch zur Achse des Halters an dessen Ende angebrachten zugespitzten Stift, es ist jedoch auch möglich, daß die metallische Spitze gegenüber der Achse des Halters geneigt und mittig an dessen Ende angebracht ist. Ferner kann der Halter in der Führung um seine Achse drehbar sein.

Es ergeben sich elektrisch günstige Verhältnisse, wenn die Entfernung zwischen jedem nicht isolierten Punkt der Hilfselektrode und den nächstgelegenen Punkten der Überschalldüse des Rekompressionskollektors größer ist als die Entfernung eines jeden nicht isolierten Punktes der Hilfselektrode zur axialen Elektrode.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Hilfselektrode von der aus leitfähigem Material bestehenden und elektrisch gegenüber dem Aufbau der Vorrichtung isolierten Ubersehalldüse gebildet ist, und daß die Überschalldüse an einen Spannungsgenerator angeschlossen ist. Zum Anschluß der überschalldüse kann ein in einem isolierenden Schutzkörper untergebrachter Kontaktstift aus leitfähigem Material dienen, und innerhalb des Schutzkörpers können Druckmittel, z.B. ein© Feder,zum Anpressen des Kontaktstiftes an die

JO Übersöhalldüse angeordnet sein.

In weiterer Ausgestaltung das? Erfindung kann sine Vor« i©zaioi@FU2ig fSes Cfeses ¥Qpg3o,©si®oa werden^ in'lom euer kum

S 0 S H 8 Ö / '? 3 S r

Gasstrom eine elektrische Hilfsentladung oberhalb der Hauptentladung stattfindet, und zwar zwischen einer axial ausgerichteten vom Gasstrom umschlossenen Elektrode und einer Hilfselektrode, die gegenüber den übrigen Teilen der Vorric-htung elektrisch isoliert ist.

Die Einführung von Ionen in das Innere einer mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gasströmung begegnet einer Anzahl von Schwierigkeiten, die auf. die äußerst hohe Geschwindig-" keit der Gasmoleküle zurückzuführen sind» Versuche zeigen, daß ein auf Überschallgeschwindigkeit gebrachter Gasstrahl oder eine Gasströmung gewissermaßen einer Stange ange» nähert werden kann, deren Charakteristiken von denen eines in Ruhe befindlichen Gases oder eines mit geringer Geschwindigkeit angeregten Gases sehr verschieden sind. Im einzelnen zeigt der Versuch, daß eine elektrische Entladung einen auf Überschallgeschwindigkeit gebrachten Gasstrahl nur schwer durchdringt und vorzugsweise j&isoiien der Hilfselektrode* die sich außerhalb des Gasstrahles befindete, und den Wänden der Entspannungskammer,in der ein schwacher Druck herr durchschlägt. Weiterhin haben die durch die Entladung er | zeugten Ionen die Tendenz, infolge der sehr hohen Ge digkeit des Strahles an der Peripherie der Gasströmuag zu bleiben. Schließlich muß berücksichtigt werden, daB em feel einer mit Überschallgeschwindigkeit bewegten Gasströmung wegen der hohen Geschwindigkeit unmöglich ist, den Strahl nach Auftreten einer Störung wieder herzustellen,und daß demzufolge jede in dem Gas erzeugte Störung nur stromabwärts wirkt.

Die Erfindung geht von den Gedanken aus, daß in dem siifc Überschallgeschwindigkeit fließenden Gasstrom unter Umständen eine Störstelle existieren könnte, und daß @s> irtSg·= lieh sein, müßte, die normale lonisiermig des Gasstposaes

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unter gewissen wohl-definierten Umständen durch eine Hilfe-, entladung zwischen einer außerhalb des Gasstromes angeordneten Elektrode und einer zweiten in mitten der Gasströmung angeordneten Elektrode durchzuführen. Dabei wird KX andererseits festgestellt« daß bei einer zuerst ionisierten mit Überschallgeschwindigkeit fließenden Gasströmung, die danach einer elektrischen Hochleistungsentladung im Bereich der Stoßwelle ausgesetzt wird, sich die Entladung vorzugsweise in dieser Stoßwelle konzentriert, d.h.

praktisch in einer Fläche, deren Dicke gleich Null (einige Mikrometer) ist. Diese Fläche bildet eine Grenze zwischen der Überschallströmung und der Unterschallströmung, wobei der Übergang abrupt erfolgt. Es ist daher zu bemerken, daß eine Umsetzung Insbesondere gesättigter Kohlenwasserstoffe, die mindestens vier Kohlenstoffatome enthalten, beispielsweise des Butan, eine Acet^ylenproduktion mit sehr beträchtlicher Ausbeute gestattet.

Dies kann erreicht werden, wenn man das Ende der axialen Elektrode am Eingang des Rekompressionskollektors anordnet.

Man stellt dann fest, daß das Ende der Elektrode eine Diskontinuität bildet, wenn es sich in der Strömungszone befindet, in der sich die Stoßwelle nach den Gesetzen der Aerodynamik aufbaut, so daß die Ausbildung und die Stabilisierung der sich an das Elektrodenende anhängenden Stoßwelle erleichtert wird. Der größte Teil der Entladungsenergie konzentriert sich in der Oberfläche der Stoßwelle, und die umzusetzenden Stoffe werden während einer extrem •kurzen Zeitspanne, die derjenigen Zeit entspricht, die zum Überqueren der Stoßwelle benötigt wird, der Entladung ausgesetzt. Man kann auf diese Welse die Umsetzung einer bedeutenden Kohlenwasserstofffraktion erzielen, beispielsweise die Umsetzung von Butan in Acet-ylen, ohne daß eine zu langwierige Entladung, durch die das Acet-ylen zerstört würde, wie das bei einer Anzahl bekannter Verfahren durch-

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aus möglich ist, benötigt würde.

Die Erfindung macht Qebrauh davon, daß die Hilfsentladimg unter den angegebenen Bedingungen zwischen dem Ende der Uberschalldüse und der axialen Elektrode stattfindet, und daß die Ionen der Außenfläche des Strahles folgen, d„h« der Außenfläche der ersten überschallkammer, die am Ausgang der Düse gebildet wird, daß sie in die Masse des Gasstromes eindringen und hier hinter der überschallkammer eine Einschnürung des Oasstromes bilden« Man kann den Rekompres» sionskollektor der Uberschalldüse gegenüber dem oben gesagten ein wenig annähern, muß aber darauf achten, daß zwischen diesen beiden eine hinreichende Entfernung beibehalten wird, um mindestens eine vollständige Überschallkammer zu erhalten und um zu vermeiden* daß eine dire-kte elektrische Entaldung zwischen der Düse und dem Kollektor auftritt.

Ein weiterer durch die Erfindung erzielbarer Vorteil besteht darin, daß die Positionierung der Hilfselektrode keine Schwierigkeiten bereitet, da sie durch die Düse selbsfe dargestellt werden kann. Man kann verschiedenartige Gase benutzen, und es können bei verschiedenen Drücken Überschallkammern variabler Länge gebildet werden* wobei die Elektrode, d.h. die Überschalldüse, stets an ihrem Plata bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf öio Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläuterte

Flg. 1 zeigt schematisch eine Uberschallkammer imü Ulm eine Düse erzeugten Stoßwellen,

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Flg. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Flg. 2 zeigt einen Schnitt durch die Hilfselektrode und deren Halterung, und

5' Flg. 4 zeigt einen Schnitt durch eine zweite AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bei der Erfindung ist es vor allem wichtig, eine stabile Überschall-Gasströmung zu erhalten, in der man chemische Reaktionen unter der Einwirkung einer elektrischen Entladung vornehmen kann. Diese Strömung darf in keiner Welse gestört sein, und dies veranlaßt dazu, die Hilfselektrode in der Nähe, jedooh außerhalb des Gasstromes anzuordnen.

In der Praxis kann der Gasstrom nicht als zylindrischer Strahl mit gleichmäßigem Querschnitt betrachtet werden. Dies ist auf Unregelmäßigkeiten der Bearbeitung und der Herstellung der Düsen, die nioht immer genau dem Idealprofil entsprechen, zurüokzuführen, und es bilden sich •ine oder mehrere Uterschallkammern ähnlich derjenigen, die in FIg* 1 «oheraatisoh dargestellt 1st. Eine solche Kammer besitzt in einer bestimmten Entfernung von der Auetrlttfläohe des Gases aus der Düse 1 ein· Einschnürung S des Gasstromes in einer Höh·/ in der eine Brechung zum Inneren der Strömung hin stattfindet, am Auegang der Düse erzeugte Stoßwellen 2 und ein· auf die Stoßwellen zurUok zuführende Ablenkung der Strömung. Zur Einstellung der Entfernung zwischen der Austrittsebene der Düse und der Kollektoranordnung kann man für vorgegebene Funktionsbedingungen eine oder mehrere übersehallkammera, auftreten lassen. Im allgemeinen regelt man die Position des Kollek-{ yrafcin« βΑΐ\ζί&β K&tmtP.v* wie Βία In Fig. 2 dargestellt

Gewisse diesen Kammern eigene Charakteristiken gestatten es auf der einen Seite« sehr einfaoh eine elektrische Entladung quer zum Oasstrom durchzuführen und auf der anderen Seite den Gasstrom homogen mit einer Hilfeentladung zu ionisieren, wobei die Hilfselektrode außerhalb des Gasstromes gehalten wird« um keine Störung in der überschallströmung hervorzurufen·

Wenn man eine Hilfselektrode* in unmittelbarer Nähe des Oasstromes und oberhalb des EinsohnUrungspunktes dieses Gasstromes anordnet« ist es möglich, eine quer zum Gasstrom verlaufende elektrische Entladung durchzuführen« Diese Entladung kann zwischen einer axialen vom Gasstrom umschlossenen Elektrode und der Hilfselektrode stattfinden.

Es entsteht eine örtliche Bahn ionisierten Oases an der Peripherie des Oasstromes, die d»r äußeren Umhüllenden des Strahles folgt. Versuche zeigen, dafl die ionisierte Strömung bei Erreichen des Sinschnürungspunktes absorbiert und in der Gesamtheit der Strömung jenseits des Einschnürungspunktes zerstreut wird.

Unter der Einwirkung der gebrochenen Stoßwellen und der auf diese Stoßwelle zurüczuführenden Strahlablenkung nach Flg.l werden die Ionen inmitten des mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Oase« angetrieben und zerstreut· Ih einer sehr geringen Entfernung in Strömungsriohtung vom Slnschnürungs«· punkt des Oasstromes sind die Ladungsträger vollständig In diesem verteilt und man kann nun eine elektrlsshe Lei·» s tung&entladung in dem Gas durchführen, ohne zu hohe elektrische Spannungen anlegen zu müssen.

Se ist verständlioh, da3 dieses Er-v^fariis nur infolga Ausbildung einer überee allicammer \-£*zi3lt i/erden kens*»

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- . erkennt ebenfalls, daß die Position der Hilfselektrode nioht beliebig sein kann,und daß sie mehreren Anforderungen entsprechen muß.

An erster Stelle muß die Hilfselektrode,urn die elektrische Entladung zu ermöglichen, so nahe wie möglich an der axialen Elektrode angeordnet sein, ohne die Gasströmung zu beeinträchtigen. Die Gasströmung bildet stets.eine wohl-definierte Geometrie, wodurch die Regelung erleichtert wird. Es ist außerdem wichtig,darauf zu achten, daß die Elektrode die Gasströmung nioht stört, indem der Druck in dem Entspannungsraum gemessen und danach die Position der Hilfselektrode eingestellt wird» Stellt man ein Absinken des Druckes fest, so berührt die Elektrode den Rand des Gasstromes und stört die Strömung.

An zweiter Stelle ist ®s wichtig» daß die gebildeten Ionen den Raum, in dem die Haupfeentle&mig stattfindet, erreichen, und daß die Hilfsentl&äung wedes¹ 'ceil^Bls^nooIi %'ölIstHndig zwischen der Hifselektrod® wrn einem anderen Organ der Vorrichtung stattfindet«

Diese seitliche Positionierung der Hilfselektrode entlang des Gasstromes ist die Folge eines swei Forderungen genügenden Kompromisses. In jedem Falle mx& die Hilfselektrode in Höhe der Ein3GhüruEgS2?one oder¹ otoerfialb dieser angeordnet sein. Daraus ergibt sich für eine bestimmte Lebensdauer der Ionen nsM eine definierte Strlfciiingsgesehwindigkeit des Gases eine ganz bestimmte Entfernung, die die Ionen durchlaufaa, vnä über aie sie in die Zoiie, in der die Haupfcö&tlastuBg sta'ctfiadst, hineingeführt werden. Durch" diese Bedlngmig ist eine Maxiraalentfermmg zwischen der Zone tier Hauptentlaäung ima der Hilfselskfcroäe festgelegt, bsi- (äsjiOn Überschreiten öle Hllfsentlaöimg jede Wirksamkeit

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verliert. Weiterhin kann man die Hilfselektrode nicht zu nahe an den Kollektor heranführen, da die Hilfsentladung sonst zwischen dem Kollektor und der Hilfselektrode stattfindet, ohne daß sie in den Gasstrom eindringt.

Es ist zur Erreichung definierter Arbeitsbedingungen an der Überschalldüse wichtig, die Position der in dem Gasstrom entstehenden Einschnürung festzulegen. Diese Pestlegung kann experimentell entweder durch Betrachtung des Gasstromes, in dem eine elektrische Entladung zwischen der axialen Elektrode und dem Ausgang der Überschalldüse stattfindet, erfolgen, oder aber durch Messen des in dem Entspannungsraum entstehenden Druckes und durch Verstellen der axialen Elektrode. Wenn das freie Ende dieser Elektrode die Höhe der Einschnürung erreicht, ist ein steiler Druckabfall zu verzeichnen. Ferner bestimmt man zweckmäßigerweise beim Markieren der Elektrodenposition die Position der Einschnürung relativ zur Austrittsebene der Überschalldüse bei verschiedenen versuehsbedingungen.

Die Position dieser Einschnürung kann auch mit Taekannten Formeln der Thermodynamik der Gasströmungen errechnet werden. Man kann durch Rechnung die Entfernung bestimmen, in der sich die Hilfselektrode relativ zur Austrittsebene der Düse befinden muß. Diese Entfernung ist eine Funktion der geometrischen Verhältnisse der Düse und des aerodynamischen Strömungssystemes. Versuche zeigen, daß diese Entfernung nach der folgenden Gleichung bestimmt werden kann:

L^kVm² -1 (D

Hierin ist m die Machzahl der Gasströmung und k ist ein Faktor der nur vom Durchmesser der Äusgangsöffhung der Düse

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und vom Verhältnis dieses Durchmessers zum Durchmesser der axialen in der Strömung angeordneten Elektrode abhängt.

Der Koeffizient k kann in der Form

k = f (§) χ D (2)

geschrieben werden. D ist der Durchmesser der Ausströmöffnung und d der Durchmesser der axialen Elektrode.

Die Machzahl wird als Funktion des Druckes des in die Düse eingeführten Gases und des Druckes im Entspannungsraum durch die folgenden bekannten Formeln ermittelt:

JZ £ /O , v

m » —.-v-TjT-■ l ; ■

In diesen Beziehungen bedeutet T_Q die Oastemperatur vor der Entspännung, T die Gastemperatur nach der Entspannung, P_Q den Gasdruck vor der Entsj;
der Entspannung. Ferner gilt

P_Q den Gasdruck vor der Entspannung und P den Gasdruck nach

und Cp ist die spezifische Wärme des Gases bei konstantem Druck und O, ist die spezifische Wärme des Gases bei konstantem Volumen.

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Wenn man experimentell die Funktion f(S) für ein gegebenes Verhältnis g ermittelt hat, ist es möglich, die Position der Hilfselektrode zu berechnen. Diese hängt von den Dimensionen des aerodynamischen Systemes der Düse und der hiervon gebildeten Einschnürung ab.

Wie noch gezeigt wird, ist es möglich, unter definierten Bedingungen eine homogene Ionisierung eines mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gases zu erzielen. Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an swei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Umsetzung strömenderGase dargestellt, die eine UberschalldUse 4 enthält. Diese UberschalldUse bringt das Gas auf Überschallgeschwindigkeit. Die Vorrichtung enthält ferner einen Entspannungsraum 5 und ein in Richtung der Achse der UberschalldUse 4 angeordnetes Sekompressionsorgan 6 fUr das Gas. Die Düse 4 ist in einem Hohlraum 7 einer zylindrischen Halterung 8 eingekapselt und befestigt. Die Länge der Düse 4 ist kleiner als die Tiefe des Hohlraumes 7, in des*sen Innerm sich noch ein freier Hohlraum 9 befindet, in den ein seitliches Hohr 10, durch das das umzusetzende Gas eingeführt^ einmündet· Entlang der Achse der Düse 4 ist die Hauptelektrode 11 angeordnet« Sie ist durch eine öffnung 12 an der Rückseite der Halterung 8 hindurchgeführt und erstreckt sich bis zum Eingang des Rekompressionsorganes 6. Die Elektrode 11 ist vollkommen entlang der Achse der Düse 4 und des Rekompressionsorganes 6 mittels eines Stopfens 13 aus Isoliermaterial zentriert, dessen Außendurehmesser genau dem Durchmesser der öffnung 12 entspricht. Dieser Stopfen 13 gewährleistet einen dichten Verschluß der öffnung 12. Der Entspannungsraum 5 besitzt zwei gegenüberliegende öffnungen 14 und 15,\"

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en.
in die die Halterung/7 für die Düse 4 bzw* das Rekompressionsorgan 6 eingeführt und in denen sie abdichtend befestigt sind.

In der Wandung der Kammer 5 ist eine von einem Stopfen aus Isoliermaterial umgebene Hilfselektrode 16 derart befestigt, daß ihr äußeres nicht isoliertes Ende 18 in der Nähe des Gasstrahles 19 rechtwinklig zu diesem angeordnet ist. Die Hilfselektrode 16 ist mit einer Klemme 20 eines Hochspannungsgenerators verbunden. Dieser wird von einem Transformator 21 gebildet, dessen andere Klemme 22 mit der Hauptelektrode 11 verbunden ist. Der Speisestromkreis enthält ferner eine Drosselspule 2J>, die dazu dient, die Intensität der Hilfsentladung zu begrenzen.

Die Hauptelektrode 11 und das Rekompressionsorgan 6 sind jeweils an eine .Wechselspannungsquelle angeschaltet, die z.B. aus einem Transformator T bestehen kann, durch den die Entladung in dem Gasstrom zwischen der Elektrode 11 und dem Eingang des Rekompressionsorganes 6 durchgeführt wird.

Bei einer bestimmten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Durchmesser der Ausgangsöffnung der Düse 4 gleich 6,8 mm und der Durchmesser der Elektrode 11 5 nun beträgt. Die Düsenleistung beträgt beispielsweise 4 1 Butan pro Sekunde, wenn das Gas unter einem Druck von 5 Atmosphären zugeführt wird.

Der in der Entspannungskammer bei den genannten Einführungsbedingungen für das Gas herrschende Druck beträgt 150 mm Quecksilbersäule oder 0,2 Atmosphären. Man kann danach die sich für die Gasströmung ergebende Machzahl ermitteln. Diese beträgt im vorliegenden Falle 2,62.

Die genannten Bedingungen ermöglichen es, die Entfernung, 909850/1337

in der sich die Hilfselektrode relativ zur Austrittsebene der Düse befinden muß, damit die Hilfsentladung ausschließlich zwischen der Hilfselektrode und der Hauptelektrode stattfindet, zu berechnen. Unter Anwendung der oben genannten Formeln ergibt sich.für eine Düse, deren Geometrie dem obigen Beispiel entspricht und für die f (§) » 0,7 ist,

L - 0,7 x 6,8\/(2,62) - 1 « 11,5

mm (6)

Dies ist die Entfernung, in der sich die Hilfselektrode ~ von der Austrittsebene des Gases aus der Düse befinden muß.

Im vorliegenden Falle beträgt die Spannung V₁ 3.600 Volt und die Spannung V_g beträgt 900 Volt. Die Elektrode 11 und das Rekompressionsorgan 6 sind an einen Transformator, der eine Wechselspannung von 1.100 Volt liefert,angeschlossen. Die Hilfselektrode 16 und die Elektrode 11 sind ferner an einen Transformator angeschlossen, der einen Wechselstrom von 0,1 A bei einer Spannungs von 5.000 Volt liefert. Die Stromstärke in dem Hilfskreis ist zweckmäßigerweise durch eine Drosselspule begrenzt, und der Transformator wird von einer Phase eines 220 V-Drei-Phasennetzes gespeist, die gegenüber der Speisespannung des Haupt transformator in der Weise verschoben ist,daß die Intensität der Hilfsentladung ihren Maximalwert annimmt, wenrj die Spannung, die dazu benutzt wird, die Hauptentladung durchzuführen, einen Wert hat, der etwa dem für die Aufrechterhaltung der Entladung in dem ionisierten Gas erforderlichen Spannungswert entspricht.

Hieran erkennt man die Vorteile-einer Hilfselektrode. In dem genannten Beispiel wird durch die Durchführung einer Hilfsentladung mit einem Strom von 0,1 A bei 5.000 Volt erreicht, daß für die Hauptentladung ein Strom/20 A bei

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einer Spannung von 1.100 Volt benutzt werden kann, während ohne die Hilfsentladung ein Transformator nötig wäre, der 20 A bei einer Spannung von 2.600 Volt liefert.

Xn Fig. 3 ist die Hilfselektrode und ihre Befestigung an 5. der Wandung 24 des Entspannungsraumes im Schnitt dargestellt. Die Hilfselektrode selbst wird von einem zylindrischen Halter 25 aus elektrisch leitfähigem Material gebildet, an dessen Ende ein metallischer angespitzter Stift 26 aus gegen elektrische Entladungen widerstandsfähigem Material, im vorliegenden Falle aus Wolfram, angebracht ist. Diese Spitze bildet den "aktiven" Teil der Elektrode während der elektrischen Entladung zwischen der Hilfselektrode und der axialen Elektrode. Der Stift 26 1st exzentrisch zur Achse des Halters 25 angeordnet.

Ferner ist ein metallisches Rohr 27, das an einer öffnung 28 der Wandung 24 des Entspannungsraumes angeordnet ist, an dieser Wandung angeschweißt und bildet einen Ansatz, der als Führung für den Halter 25 dient. Das Rohr 27 ist im Innern mit einer Isolierenden Hülle 29 versehen, die mittels einer Ringdichtung J50 abgedichtet ist und an der Innenwand des Rohres 27 anliegt. Das äußere Ende der IsolierhUlle 29 ist mit einem Kragen 31 ausgestattet, der am Rohr 27 anliegt und dieses stirnseitig·abdichtet» Der zylindrische Halter 25 besitzt eine Einschnürung 32, in der eine Ringdichtung 33 untergebracht ist, die eine dichte Verbindung zwischen dem Halter 25 und dem Rohr 27 schafft. Ein auf das äußere Ende des Rohres 27 aufgeschraubter Stutzen 34 spannt die Außenfläche des Kragens 31 in der Weise ein, daß der Kragen festgehalten wird und auf diese Weise ein Versohleben das? Isolierhülle 29 vermieden wird* Am Ende des Stutzens 34 ist ein metallischer Kopf 35 mit einer Bohrung, deren--Durchmesser dem Durchmesser des Halters 25 entspricht,

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angeschraubt. Er dient der Führung für den oberen TeIL des Halters 25. Ferner sind Verbindungsmittel 36 zum Anlegen eines Stromes am äußeren Ende dss Halters 25 vorgesehen.

Es ist ersichtlich, daß diese Montage es erlaubt, den HaI-ter 25 in dem Rohr 27,ohne die Dichtigkeit der Vorrichtung zu beeinträchtigen, zu verschieben und demzufolge die Position der Spitze des metallischen Stiftes 26 relativ zur Achse des Gasstromes zu verstellen. Aufgrund dieser Montage kann der Halter 25 eine Drehung um seine Achse vollführen, so daß die Spitze des Stiftes 26 infolge ihrer exzentrischen Anbringung an dem Halter um ein gewisses Maß seitlich in dem Gasstrom verstellt wird. Hierdurch wird eine Verstellung des Stiftes 26 erreicht« die es erlaubt, die günstigste Position der "aktiven" Spitze der Hilfselektrode relativ zum Gasstrom einzustellen.

Dieses Ergebnis kann auch mit anderen Haltevorrichtungen und anderen Stiften erreicht werden, indusi mm beispielsweise den Halter 25 und die Führung 27 rechtwinklig zur Achse der axialen Elektrode ausrichtet und ü®n Stift 26 abgewinkelt verlaufen verläßt. Der Stift wird hierbei im Mittelpunkt des äußersten Endes des Halters 25 angeordnet und verläuft unter einem Winkel zur Halteraehse.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung enthält eine schalldüse 38 aus Wolfram, bei deren Durchgang dam Gas einö Überschallgeschwindigkeit vermittelt wird, einen Entspannungsraum 39 und einen Rekompressionskollektor 40, der in Achsenrichtung der Düse 38 als Verlängerung des Entspannungsraumes angeordnet ist. Das Düsenmaterial, im vorliegenden Falle Wolfram, zeichnet sich durch Feuerfestigkeit und gute elektrische Leitfähigkeit aus; es können Jedoch auch andere Materialien, beispielsweise Stahl oder Graphit, ■

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verwendet werden. Die Düse 38 bildet bei dem vorliegenden Äusführungsbeispiel die Hilfselektrode.

Das System mit der Düse 38, dem Raum 39 und; dem Kollektor 40 wird von einem Hohlkörper 4i aus Stahl gehalten, der mit dem Kollektor 40 die Masse bildet. Die Düse 38 ist elektrisch gegen den Körper 41 durch einen aus Glas und Glimmer bestehenden Überzug 42 isoliert* Es ist zu bemerken, daß das Ende 42a des Überzuges 42 sich über die Höhe des Endes 38a der Düse hinaus erstreckt <■ Diese Anordnung ist vorteilhaft, denn durch sie werden parasitäre Entladungen zwischen der Düse und Masse vermieden. Die Länge der Düse ist geringer als die Tiefe der Füllung des Körpers 41, und am Ende der Höhlung 43 ist ein freier Raum gelassen, in den ein seitliches Rohr 44 einmündet; durch das Rohr 44 wird das zu behandelnde Gas, in diesem Falle Butan, eingeführt.

Die Düse 38 und der Kollektor 40 sind abdichtend an ihrer Halterung befestigt; aus der Figur ist weiterhin ersichtlich, daß der Raum 39 seitlich durch den Körper 4l begrenzt wird. Auf der Achse der Düse 38 ist eine Hauptelektrode 45 angeordnet, und diese erstreckt sich bis zum Eingang des Rekompressionskollektors 40. Diese Anordnung erlaubt es, die Stoßwelle am Eingang des Kollektors 40 zu stabilisieren und ihn aufgrund der durch das Ende dieser Elektrode hervorgerufenen Diskontinuität der Gasströmung an das Ende der Hauptelektrode anzukoppeln. Die Hauptentladung entsteht an dieser Stelle, und sie konzentriert sich in der Stoßwelle, d.h. in einem sehr kleinen Volumen, von der Größenordnung von 2 Ai Dicke, also praktisch in einer Fläche. Diese Konzentration der Entladung in der Fläche der Stoßwelle erklärt sich durch die Strömung der Entladung, die auf die Geschwindigkeit im Über-

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schallbereich zurückzuführen ist und durch die Tatsache, daß die Stoßwelle für die Entladung eine Barriere bildet, die im Verhältnis jex£ Au Unterschallbereich, in dem die Entladung außerordentlich schwierig ist, sehr leicht zu überschreiten ist. Diese räumlich sehr begrenzte Entladung erzeugt die Umsetzung von Butan in Acet-ylen.

Die Elektrode 45 ist auf der Achse der Düse 38 und des Kollektors 40 mittels eines Stopfens 46 aus Isoliermaterial, im vorliegenden Falle aus einem Agglomerat aus Asbest und Zement vollständig zentriert; dieser Stopfens gewährleistet ebenfalls eine gute Dichtwirkung.

Ein leitender Stift 47 aus Messing dient dazu, die Düse 38 elektrisch mit einer Klemme 48 eines von einem Transformator 49 gebildeten Hochspannungsgenerators zu verbinden. Die andere Klemme 50 des Hochspannungsgenerators ist mit der Hauptelektrode 45 verbunden. Es wurde Messing als Leitermaterial gewählt, da diese Verbindung neben ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit den Vorteil hat, eine hohe ' mechanische Widerstandsfähigkeit zu besitzen, es können jedoch auch andere Materialien, wie z.B. Kupfer oder Wolfram, verwendet werden»

Der Kontaktstift 47 muß vollständig gegen die Masee 41 isoliert sein, um jegliche parasitäre Entladung zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist der Stift 47 durch eine isolierende Führung 51 geschützt; die Führung besteht vorteilhaft aus einem Polyfluoräthyien und Glasfaser-Materialien, die eine gute elektrische Isolierfähigkeit haben und ein leichtes Gleiten des Kontaktstiftes 47 im Mlttelb©reloh der Führung erlauben. Es ist sehr wichtig, einen guten Kon-* takt zwischen der Düse 38 und dem Stift 47 herzustellen; zu diesem Zweck ist der Stift mit einer Feder 52-.versehen* die gegen einen Anschlag 53 drückt und in einer durch einen

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Stopfen 55 abgeschlossenen Bohrung 54 untergebracht 1st. Der Stopfen 55 ist seinerseits mit einer Schraube 56 befestigt. Unter der Wirlcung der Feder 52 kann der Stift in der Führung gleiten und er wird so in Kontakt mit der Düse 58 gehalten.

Die Abdichtung zwischen der Führung 54 und dem Stiit 47 einerseits und dem metallischen Masseblock andererseits wird dadurch erreicht, daß die Führung an dem Isolierkörper 42 angeschraubt und die Verschraubung durch eine Dichtung 57 abgedichtet ist.

Die Führung SI wird in dem zylindrischen Block 58 durch ein aus Asbest und Zement bestehendes Agglomerat gehalten, und der Block ist seinerseits an dem Körper 4l· mittels Schrauben 59 befestigt.

Weiterhin muß das Innere der Vorrichtung gegen die

Atmosphäre abgedichtet sein. Zn diesem Zweck η%ηά Dich» n 6ö, @tl zwischen d©r Füferusig 51 und amm Stopfen lind zwischen dam Stift 4? und dem Stopfen

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2*500 Volt stattfindet, zu begrenzen; andererseits ist die Hauptelektrode 45 und der ebenso wie der Körper 4l an Masse liegende Rekornpressionskollektor 40 jeweils mit den Klemmen einer Weohselspannungsquelle, beispielsweise eines Trans» formators 65 verbunden, der die Durchführung der Hauptentladung in dem Gasstrom 66 am Eingang des Kollektors 40, wo sich die Stoßwelle ausbildet, gestattet. Diese Entladung ermöglicht die Verwendung eines Stromes von 20 A bei einer Spannung von 1.100 Volt.

Im vorliegenden Fall beträgt die Potentialdifferenz zwlmhexi der ÜberschalidUse und der axialen Elektrode 2.500 VoIt₁, während die Potentialdifferenz awlsoliea der axialen Elefc^ trode und der Masse der Vorrichtung (beispielsweise eiern Rekompressionekollektor) nur 1.100 Volt beträgt»

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Claims

1. Verfahren zum Ionisieren eines Gases in einer tiberschallströmung, bei welchem zum Zwecke der Durchführung chemischer Reaktionen im Gasstrom elektrische Entladungen vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Überschalldüse und einem Rekompressionskollektor mindestens eine Überschallkammer mit einer Einschnürung gebildet wird, In deren Höhe eine auf am Düsenausgang erzeugte Stoßwellen zurückzuführende Ablenkung des Gasstromes entsteht, und daß zwischen einer vom Gasstrom umgebenen axial ausgerichteten Elektrode und einer außerhalb des Gasstromes angeordneten Hilfselektrode eine elektrische Entladung durchgeführt wird, derart, daß die durch die Entladung erzeugten, an den Rand des Gasstromes gedrängten Ionen in Höhe der Einschnürung infolge der auf die Stoßwelle zurückzuführenden Stromablenkung in das Innere des Gasstromes gedrängt werden. "

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Hilfsentladung oberhalb der Einschnürung des Gasstromes in unmittelbarer Nähe des Rekompressionskollektors durchgeführt wird.

J.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersohalldüse auf einem solchen elektrischen Potential liegt, daß ihre Potentialdifferenz zu der axialen Elektrode größer ist als die Potentialdifferens zwischen der axialen Elektrode und Massepotential der Vorrichtung, daß die- Hilfsentladung am Ende der Düse zwischen der Düse und der vom Gasstrom umschlossenen Elektrode erfolgt, und daß die elektrische Hauptentladung lh deiBjenlgem Teil des Rekompressionskollektors erfolgt, in dem sioh die Stoßwelle aufbaut.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die zur Durchführung der Hilfsentladung angelegte elektrische Spannung derart gegenüber der zur Durchführung der Hauptentladung angelegten elektrischen Spannung phasenverschoben ist, daß sich eine maximale Hilfsentladung ergibt, wenn die Spannung für die Hauptentladung einen Wert annimmt, der etwa der zur Aufrechterhaltung der Entladung in dem ionisierten Gas erforderlichen Spannung entspricht.

™ 5· Vorrichtung zum Ionisieren eines Gases in überschallströmung mit mindestens einer in einen Entspannungsraum einmündenden Uberschalldüse, einem in DUsenrichtung hinter dem Entspannungsraum angeordneten Rekompressionskollektor und einer in axialer Richtung durch die Düse führenden Elektrode, die sich bis zum Eingang des Rekompressionskollektors erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Gasstrom (19*66) eine Querentladung zur axialen Elektrode (11,45) verursachende Hilfselektrode (18,38a) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die in dem Entspannungsraum angeordnete Hilfselektrode fc einen aus leitfähigem Material bestehenden, abdichtend in einer an der Wandung (24) des EntSpannungsraumesbefestigten Führung (27) gleitenden Halter (25) besitzt, der gegen die Führung (27) elektrisch isoliert 1st, und daß der Halter (25) an seinem Ende mit einer in den Entspannungsraum hineinragenden metallischen Verlängerung (26) ausgestattet ist.

7» Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung aus einem exzentrisch zur Achse des Halters (25) an dessen Ende angebrachten zugespitzten Stift (26) besteht.

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8. Verrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daB die metall ische^ä Spitze gegenüber der Achse des Halters (25) geneigt und mittig an dessen Ende angebracht ist.

9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (25) in dfer iiihrüng (27) um seine Achse drehbar ist. _;

1Ö. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen jedem nicht isolierten Punkt der Hilfselektrode (18, jjSa} und den n&chstgelegenen Punkten der überschalldüse des Bekomprei^iori^koliektors (6, 400 größer ist als die EMferlntürig eines jetiM nlioht jsolierteh Punktes der Hilfseiefctrod<=f .C$8, 38a) zur axialen Elektrode (11, 45).

11. Vorrichtung nach Anspruch" 5,- dadurch gekeiiiizfichiiet, daß die Hilfselektrode von der aus leitfMhigefli Material bestehenden und elektrisch gegenüber dem Aufbau der Vorrichtung isolierten Öberischäildiise (38) gebildet 1st, und dsctf difce tibWs^halldÜse aii einen Spa^un®sget#ratbr (49) angeschlossen ist. .

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurcih gekennzeichnet, daß zum Abschluß der Übersohiatlldüse (38) in eiiiem isoiierendeh Schutzkörp&r (51) ein Iü)ntaktstift (4?) «us leitfMhigem Material vorgesehen ist.

IJ, Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schutzkörpers (51) Öriickrailitel, z.B.^gine Feder (52), zum Anpressen des Kontaktsti£tes an die_r||berechalldüse (3Ö) angeordnet sind. __,._. _t ,, ν _V(

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