NO162440B - Anordning ved elektrisk oppvarming av gasser. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for elektrisk oppvarming av gasser i form av en plasmagenerator omfattende sylindriske elektroder, hvorav den ene har en lukket ende og den annen er åpen i begge ender, hvilke elektroder er tilkoblet en strømkilde for fremskaffelse av en elektrisk lysbue mellom elektrodene, samt anordninger for tilførsel av gass til anordningen.

I industrielle prosesser anvendes varme gasser for å over-føre varmeenergi og/eller for å ta del i kjemiske reaksjo-ner. Herunder er gassvolumene ofte meget store, hvilket med-fører store omkostninger for gassbehandling. I mange tilfel-ler skulle gassmengdene kunne reduseres kraftig forutsatt at entalpien eller energitettheten i gassen kunne gjøres tilstrekkelig høy.

En måte å tilføre energi til en gass er å utnytte varmevekslere, men ettersom virkningsgraden for energioverføring til gasser i varmevekslere er lav, er dette en mindre vellykket løsning. En annen metode er å utnytte forbrenning av f.eks. fossile brensler for direkte oppvarming av gassen. I de til-feller hvor gassen skal inngå i en kjemisk reaksjon, kan forbrenning imidlertid ofte ikke anvendes for direkte oppvarming, da gassene i så tilfelle ville bli forurenset, samtidig som sammensetningen forandres. Disse kjemiske, men fremfor alt metallurgiske prosesser krever meget høye tempe-raturer, dvs. av størrelsesordenen 1000-3000° og/eller til-førsel av meget store energimengder under kontrollert oksygenpotensial. I denne sammenheng vil man dessuten kunne regulere prosessene delvis ved å variere gassmengden og delvis ved variasjon av gassens entalpi under bibehold av gass-volumer og ved kontrollert oksygenpotensial. Under visse om-stendigheter er det nødvendig å kunne styre gassmengden nøyaktig, f.eks. når gassen inneholder en eller flere reak-tanter i en kjemisk reaksjon.

For å imøtegå alle disse forskjellige behov er det utviklet mange slags anordninger, og derunder har det vist seg at utnyttelse av en elektrisk lysbue for generering av plasma er en meget anvendelig teknikk.

Således er det fra US-patent 3.301.995 tidligere kjent en plasmagenerator med to vannkjølte, aksialt fra hverandre - skilte sylindriske elektroder, den ene med lukket ende og den andre åpen i begge ender, et munnstykke anordnet ved den åpne elektrode, et vannkjølt kammer med en diameter som vesentlig overstiger elektrodenes og den mellom elektrodene liggende spaltes diameter, anordninger i kammerveggen for innblåsing av gass i kammeret, samt et rør med et munnstykke for innretning av den gasstrøm som skal oppvarmes i kamme-

ret. Videre kan magnetspoler være anordnet rundt elektrodene for å bevirke rotasjon av lysbuens fotpunkter.

Videre vedrører US-patent 3.705.975 en selvstabiliserende vekselstrøm-plasmagenerator med en spalte mellom to aksialt adskilte elektroder, som er tilstrekkelig smal for gjenten-nelse av lysbuen hver halvperiode. I denne plasmageneratoren blåses lysbuen inn i et elektrokammer for der å samvirke med den gass som skal oppvarmes. En isolatorskive er anordnet mellom elektrodene, og i denne skive er det anordnet kanaler som er slik utformet at gassen delvis tilføres høy vinkel-hastighet og delvis en aksial hastighetskomponent som blåser lysbuen inn i reaksjonskammeret.

US-patent 3.3 60.988 vedrører en plasmageneratorkonstruksjon med segmentert, begrenset passasje mellom anode og katode. Lysbuekammeret har karakter av et overlydsmunnstykke, hvilket gjør at anordningen egner seg for oppvarming av en vind-tunnel, en lysbuekatode oppstrøms for munnstykket, en anode nedstrøms for munnstykket oppbygget av elektrisk ledende,

fra hverandre elektrisk isolerte segmenter som gir en sirkelformet konfigurasjon, idet munnstykket danner en lang-strakt smal passasje méd enhetlig diameter gjennom hvilken lysbuen må passere.

De ovenfor oppregnete plasmageneratorkonstruksjoner har likevel visse begrensninger og ulemper.

Utnyttelse av to elektroder adskilt av et gasstilløp med-fører at buelengden og dermed spenningen bestemmes av gass-strømmen. Ved konstant strøm må gasstrømmen økes for å øke spenningen og dermed effekten, hvorved entalpien hos den utgående gass avtar.

Ved et normalt anvendt overtrykk, dvs. 1-10 bar, blir spenningen alltid relativt lav, av størrelsesorden 1000 volt. Den eneste måte å øke effekten på er herunder å øke strøm-styrken, hvilket dog fører til forkortet elektrodelivs-lengde.

Ved såkalte segmenterte kanaler, dvs. der isolatorskiver er anordnet skiftevis med elektrodeskiver, begrenses den mulige spenning og dermed effekten på grunn av at strømningen til det kalde gass-sjiktet inne ved veggen forstyrres og lysbuen derved vil slå ned for tidlig. Videre foreligger også risiko for at lysbuen i stedet for å gå sentralt i kanalen velger å hoppe over de relativt sett tynne isolatorskiver mellom

elektrodeskivene.

Hittil kjente plasmageneratorer er først og fremst ment for laboratoriebruk og er mindre egnet for industriell anvendelse på grunn av sin kompliserte oppbygning, og i særdeles gjelder dette for de segmenterte typer som f.eks. krever et stort antall tilkoblinger for kjølevann, gasstilførsel, etc.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveie-bringe en plasmagenerator som gir høyt effektuttak, har lang elektrodelevetid, høy virkningsgrad, og som oppviser en enkel og driftssikker konstruksjon som egner seg for industriell anvendelse.

Dette oppnås ved hjelp av den innledningsvis beskrevne plasmagenerator ifølge foreliggende oppfinnelse, hvilken er karakterisert ved de trekk som fremgår av det vedføyde. patentkrav 1.

Ifølge en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen inneholder anordningen dels to endemoduler inneholdende respektive endeelektroder med tilhørende tilkoblinger for elektrisitet, gass samt kjølevann og dels mellommoduler inneholdende ett mellomstykke med tilhørende tilkoblinger for kjøle-vann henholdsvis gass, fortrinnsvis hurtigkoblinger, og med organer for tilkobling av flere moduler til hverandre og til respektive endemodul. Herved kan anordningens driftkarak-teristikk enkelt og bekvemt tilpasses etter behov ved at man fjerner eller tilføyer ett eller flere mellomstykker.

Ved å utforme gasstilførselsspalten eller -spaltene slik at gassen får en roterende bevegelse under passasjen, stabili-seres lysbuen. Den roterende gass-strøm i kombinasjon med kalde vegger gir en sentrert stabil lysbue med liten omrør-ing og dermed høy temperatur. Dette innebærer visse ulemper i form av lavt spenningsfall og høye strålingstap.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er anordningen utformet med en trinnvis økende diameter sett i gasstrømmens hovedretning. I det minste er ett diametertrinn anvendt, og forholdet mellom diameter før henholdsvis etter trinnet skal derved ligge mellom ca. 0,5 og 1, og fortrinnsvis mellom ca. 0,7 og 0,9.

Diametertrinnet gjør at gassens rotasjonssentrum vil følge

en spiralformet bane, hvorved omgivende gass blandes inn i lysbuen som derved blir kaldere, hvilket ved konstant strøm og gasstrøm fører til øket spenning over lysbuen og hovedsakelig bibeholdt virkningsgrad. Med bibeholdt effekt kan anordningen således gjøres mer kompakt.

Ytterligere fordeler og karakteristikk ved oppfinnelsen vil fremgå nærmere av den nedenstående detaljerte beskrivelse i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor figur 1 og la skjematisk viser en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen.

figur 2 skjematisk viser et tverrsnitt gjennom en gasstil-førselsspalte, sett langs linjen II-II i utførelsesformen ifølge figur 1,

figur 3 skjematisk viser en annen utførelsesform av oppfinnelsen med ett diametertrinn.

I figur 1 og la vises således skjematisk en utførelsesform av en anordning ifølge oppfinnelsen for elektrisk oppvarming av gasser. Anordningen, som betegnes med 1, inneholder to sylindriske elektroder 2 og 3, hvorav den første har en tilkoblet fri ende 4 og den andre har en åpen fri ende 5, samt mellom de to elektrodene anordnede mellomstykker 6 og 7.

I den viste utførelsesform er antallet mellomstykker to,

men både antall og lengde av mellomstykkene kan varieres, sammenlign nedenfor.

Gasstilførselsspalter 8, 9 og 10 er anordnet mellom hver elektrode og tilgrensende mellomstykke samt mellom mellomstykkene. Videre er det i den viste utførelse en gasstilfør-selsspalte 11 anordnet inntil den første elektrodens tilkoblede ende.

Både elektroder og mellomstykker er vannkjølte, hvilket an-tydes med innløps- og utløpsstusser 12, 13;14, 15;r 16, 17 og 18, 19 for vann. Både elektroder og mellomstykker er fortrinnsvis fremstilt av kobber eller kobberlegering.

Elektrodene er koblet til en ikke nærmere vist strømkilde for dannelse av en elektrisk lysbue 20 mellom de to elektroder. Hver elektrode omgis av en magnetisk feltspole eller permanentmagnet 21 henholdsvis 22 for frembringelse av et magnetfelt, hvorunder stedet for lysbuens fotpunkter 2 3

henholdsvis 24 bringes til å rotere.

Hoveddelen av gassen som skal oppvarmes innføres mellom den oppstrøms liggende elektrode 2 og det tilgrensende mellomstykke 6. Ved anordning av dette gassinnløp slik at den inn-førte gasstrøm får en begynnelseshastighetskomponent mot hovedstrømningsretningen, kan stillingen til lysbuens fotpunkter forskyves i lengderetning ved "blåsing". En del av denne hovedgasstrøm kan avledes og føres inn gjennom den inne ved nevnte elektrode tilkoblede ende anordnede gasstil-førselsspalte 11, som fortrinnsvis er slik utformet at gass-strømmen strømmer inn i det vesentlige i hovedstrømningsret-ningen. Ved dessuten å anordne en fluidistor 25 eller annen strømstyrende anordning i tilknytning til de to nevnte gass-innløp 8, 11, kan det vekselvis ledes en større eller mindre gassmengde gjennom gassinnløpet 11 som befinner seg inne ved den tilkoblede ende 4, hvorved en ytterligere reduksjon av elektrodeslitasjen erholdes ved at lysbuens fotpunkter kan forskyves frem og tilbake. Denne "blåsningseffekt" kan også utnyttes;til å variere lysbuelengden og derved bevirke en viss variasjon av effekten i lysbuen.

Gassen som strømmer inn gjennom gasstilførselsspaltene 8, 9 og 10 mellom mellomstykkene og det mellom det nedstrøms liggende mellomstykke og den åpne elektrode, har til oppgave å forhindre at lysbuen "slår ned" for tidlig. Den innstrøm-mende gass tilføres herved en tangensiell hastighetskomponent og fortrinnsvis også en aksial hastighetskomponent. Spaltebredden skal fortrinnsvis være 0,5-5mm. Herved oppnås et roterende, kaldere gassjikt inne ved elektrodene og mellomstykkenes innervegger, hvilket kaldere sjikt omgir lysbuen, som går vesentlig sentralt i det sylindriske rom. For å opprettholde dette kaldere gassjikt blåses også gass inn gjennom gassinnløpet langs lysbuens vegg.

Når gasstrømmen nærmer seg utløpet til den nedstrøms liggende elektrode treffer lysbuen elektrodeveggen i sitt andre fotpunkt. Middeltemperaturen i den utstrømmende gass kan variere innenfor intervallet 2.000 - 10.000°C, avhengig av lysbueeffekt og gjennomstrømmende gassmengde per tidsenhet.

I figur 1 og IA er der også anordnet en elektromagnet 51 eller tilsvarende, slik at det derav dannede magnetfelt, antydet med linjer 52, virker på en del av lysbuen. I figur 1 er lysbuen 20 vist uten at magnetfeltet 52 har virket inn på lysbuen. I virkeligheten vil magnetfeltet 52, slik det tydeligst fremgår av figur IA, påvirke lysbuen slik at den viker utover mot en betraktende samtidig som den på grunn av den roterende gass vil få en spiralformet bevegelse, hvilket er antydet med 53.

Som vist i figur 2 kan en gasstilførselsspalte tilveiebrin-ges ved hjelp av en ringformet skive 31 med spor 32-38 fordelt over omkretsen under dannelse av flere gasstilførsels-åpninger. Sporene skal være slik anordnet at gassens ut-strømningsvinkel a i forhold til radius er større enn 0°, og fortrinnsvis 35-90°.

Sporenes tverrsnittsflate kan være slik avpasset at inn-strømningshastigheten blir minst 50 m/s.

Det er overraskende at man ved å anordnet få gassinnløp på

relativt stor innbyrdes avstand langs lysbuens vegg kan forhindre at lysbuen slår ned for tidlig. Der er også overraskende at man herved kan forhindre at lysbuen velger en annen vei, dvs. gjennom mellomstykkene og bare "hopper" over gass-tilf ørselsspal tene.

Eksperimentelt er det vist at varmetapet per lengdeenhet øker langs mellomstykkene, ettersom den beskyttende virkning som det kalde gassjikt gir, avtar med avstanden fra gassinn-løpet, avhengig av at gasstrømmens rotasjon avtar og opp-varmingen derved går raskere.

I figur 3 er det vist en modifisert utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen, hvorunder de deler som er uendrede har samme henvisningstall som i figur 1. Ved 41 har anordningen et diametersprang som i den viste utførelse er anordnet i det første mellomstykke. Ytterligere diametersprang kan anordnes senere. Selve diameterspranget 41 kan utformes mer eller mindre bratt, og i den viste utførelse har spranget form av en stump kon, hvorved konvinkelen velges slik at man får en hovedsakelig avløsningsfri strøm-ning. Forholdet mellom diameteren før og etter diametertrinnet ligger på 0,5 til 1. På grunn av diametertrinnet vil gassens rotasjonssentrum beskrive en hovedsakelig spiralformet bane, hvorved lysbuen også vil passere kaldere gass, hvilket er antydet på figuren med 42.

For ytterligere å belyse oppfinnelsen redegjøres det nedenfor nærmere for flere forskjellige forsøksserier.

EKSEMPEL 1

Målinger utføres på et mellomstykke med en lengde på 200 mm som inngår i en anordning ifølge oppfinnelsen. Vannkjølingen var oppdelt i fire separate enheter som hver kjølte 50 mm av det aktuelle element. Herunder viste det seg at temperatur-stigningen i de fire forskjellige segmenter blir 3,8°, 3,9°, 4,2° og 5,3°. Som det fremgår fås en kraftig temperaturstig-ning under hensyntagen til at vannet strømmer forbi mellom-stykket i en spalte med størrelsesordenen 0,1 mm tykkelse. Vannet strømmer således forbi segmentet med meget stor hastighet.

EKSEMPEL 2

Med samme betingelser som under forsøk 1, men med 20% høyere gasstrøm fås følgende temperaturøkninger: 3,8°, 3,9°, 4,1° og 4,8°C.

Av disse forsøk fremgår for det første at gasstrømmen har stor betydning for varmetapet til mellomstykkene og for det andre at en 10%'s forbedring av anordningens virkningsgrad oppnås ved å øke gasstrømmen med ca. 20% i gasstilførsels-spaltene som er fordelt langs anordningen.

Hensiktsmessig kan således en anordning konstrueres for elektrisk gassoppvarming med fast buelengde og med lange mellomstykker, takket være at et isolerende gassjikt kan oppnås over hele anordningens lengde, hvilket gir kraftig reduksjon av varmetapene til elektrodenes og mellomstykkenes vegger.

Ved ifølge en foretrukken utførelsesform å utforme mellomstykkene som moduler for hurtigtilkoblinger for gass og vann, kan anordningen ganske enkelt tilpasses for forskjellige effektbehov. For nærmere å belyse dette blir det nedenfor i store trekk gjort rede for hvordan spenningsavfallet påvirker anordningens lengde.

Spenningsfallet i anordningen avhenger av en rekke forskjellige faktorer såsom gass-sammensetning, gassmengde og gass-entalpi, men for de fleste tilpasninger blir det hovedsakelig 15-25 volt/cm.

Særlig fordi man vil holde elektrodeslitasjen nede bør strømstyrken helst ikke overstige 2.000 amp.

Med de ovenfor nevnte begrensninger får man for totaleffek-ter på 5 henholdsvis 10 MW lysbuelengder tilsvarende 1-1,6 m henholdsvis 2,5-3 m.

Elektrolengdene blir som regel 200-400 mm, og ved å utforme mellomstykkene som moduler og med passende lengder, kan totaleffekten varieres i passende sprang.

Mellomstykkenes lengde skal være 100-500 mm, og er fortrinnsvis 200-400 mm.

EKSEMPEL 3

Ved forsøk ble to forskjellige plasmageneratorer utnyttet, men under enhetlige betingelser, hvorunder den eneste for-skjell mellom plasmageneratorene lå i at den ene hadde et diametersprang med et forhold D før /D etter °i73i mens den andre plasmageneratoren hadde en enhetlig diameter over hele passasjelengden.

I en første forsøksserie fikk man i en gasstrøm på 500 m<3 >per time og en strømstyrke på 1700 amp. en spenning i plasmageneratoren uten sprang på 1630 volt og i plasmageneratoren med sprang 182 0 volt.

I en andre forsøksserie fikk man ved gasstrøm 486 m<3> per time og en strømstyrke på 1500 amp. en spenning på 1680 volt henholdsvis 182 0 volt.

EKSEMPEL 4

Et antall forsøksserier ble gjennomført med en plasmagenerator med et spolepar for generering av et magnetfelt på tvers av lysbuens vei, foruten det magnetfelt som ble benyttet for rotasjon av lysbuens fotpunkter, og i tabellen nedenfor redegjøres for de spenninger som oppnås for forskjellige strømstyrker gjennom magnetspolen.

Gasstrømmen gjennom plasmageneratoren ble 905 m<3> per time og strømstyrken ble 18 00 amp.

Av ovennevnte eksempel 3 og 4 fremgår det at man under bibeholdt effekt i generatorene kan utforme disse mer kompakte, hvilket har meget stor betydning for den industrielle til-pasning. Eventuelt kan utførelsesformene med magnetfelt henholdsvis diametersprang kombineres. Den strøm som forbrukes i den ytterligere magnetspolen, er bare en brøkdel av den totale effekt og kan derfor sløyfes ved beregning av effekt-forbruket.

Det skal bemerkes at ved utførelsesformen med tverrstilt magnetfelt øker en pålegging av et magnetfelt virkningsgraden samt entalpin i den utgående gass.

Dette er meget overraskende da man med den hittil kjente teknikk med økende entalpi i gassen har vært tvunget til å akseptere en lavere virkningsgrad.

Med teknikken ifølge oppfinnelsen kan man således konstruere plasmageneratorer for meget høye effekter, men til tross for dette er de fortsatt håndterlige. Det har også lyktes å skape en jevnt temperaturfordeling, men bare under bibehold av et kaldt sjikt inntil veggen. I hittil kjente plasmageneratorer får man innledningsvis en meget varm lysbue, mens det kalde sjiktet ved veggen har stor utbredelse, men på grunn av strålingstap og forstyrret strømning forsvinner det kalde sjiktet meget raskt.

Konstruksjonsmessig er anordningen ifølge oppfinnelsen enkel med få elementer og relativt få koblinger, og den er derfor meget driftsikker. Selv om så mange som fem mellomstykker skulle benyttes, er de så lange at strømningsbildet forblir relativt uforstyrret langs anordnings lengde.

Claims (18)

1. Anordning for elektrisk oppvarming av gasser i form av en plasmagenerator omfattende sylindriske elektroder, hvorav den ene har en lukket ende og den annen er åpen i begge ender, hvilke elektroder er tilkoblet en strømkilde for fremskaffelse av en elektrisk lysbue mellom elektrodene, samt anordninger for tilførsel av gass til anordningen, karakterisert ved minst ett mellom elektrodene anordnet mellomstykke (6, 7) med en lengde på 100-500 mm og en elektromagnet (51) eller tilsvarende på et sted langs lysbuens vei for tilveiebringelse av et magnetfelt (52) som virker vinkelrett på lysbuen.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at mellomstykkets -stykk-enes (6, 7) lengde er 200-400 mm.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at gasstilførselsspalter (8, 9, 10) er anordnet mellom hver elektrode (2, 3) og mellomstykke og mellom mellomstykkene (6, 7).

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at spaltebredden er 0,5-5 mm.

5. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at både elektroder (2, 3) og mellomstykkene (6, 7) er vannkjølte (12,13; 14,15;

16,17 og 18,19) .

6. Anordning ifølge krav 1-5, karakterisert ved at dens effekt går opp til 10 MW.

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at antall mellomstykker (6, 7) går opp til 5 og at deres lengde er slik avpasset at den totale lengde svarer til tilstrebet effekt og spenningsfall per lengdeenhet.

8. Anordning ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at dens effekt er 10 MW og dens lengde når opp til 2 m.

9. Anordning ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at materialet i elektroder (2, 3) og mellomstykkene (6, 7) er kobber eller kobber leger ing .

10. Anordning ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at gasstilførselsspal-tene (8, 9, 10) er slik utformet at gassen tilføres en roterende bevegelse under passasjen gjennom det sylindriske rom som avgrenses av elektrodene og mellomstykkene.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved at gassen bringes til å strømme inn i en større vinkel en 0°, fortrinnsvis 35-90° i forhold til radien.

12. Anordning ifølge et av kravene 1-11, karakterisert ved at det i tilslutning til elektrodene (2, 3) er anordnet magnetiske feltspoler (21,

22) for generering av et magnetfelt hvorunder lysbuens (20) fotpunkter (23, 24) bringes til å rotere.

13. Anordning ifølge et av kravene 1-11, karakterisert ved at det i tilslutning til elektrodene (2, 3) er anordnet permanentmagneter, hvis magnetfelt bringer lysbuens (20) fotpunkter (23, 24) til å rotere.

14. Anordning ifølge et av kravene 1-13, karakterisert ved at gasstilførselsspalten (8) mellom den oppstrømsliggende elektrode (2) og tilgrensende mellomstykke (6), gir gasstrømmen en initialbevegelse rettet mot hovedstrømningsretningen, hvorved lysbuens (20) oppstrøms beliggende fotpunkt (23) forflyttes motstrøms mot den tilstøtende elektrodeende (4).

15. Anordning ifølge et av kravene 1-14, karakterisert ved at en ytterligere gass-tilf ørselsspalte (11) er anordnet inntil den oppstrøms liggende elektrodes (2) lukkede ende (4), samt at en fluidistor (25) er anordnet for vekselvis styring av gasstilførselen gjennom nevnte spalte (11) henholdsvis spalten (8) mellom den oppstrøms liggende elektrode (2) og tilgrensende mellomstykke (6), hvorved stillingen for lysbuens (20) øvre fotpunkt (23) bringes til å variere i lengderetningen.

16. Anordning ifølge krav 1-15, karakterisert ved at den er oppbygget av dels to endemoduler inneholdende respektive elektroder (2 , 3) med tilhørende tilkoblinger for elektrisitet, gass, samt kjølevann i form av hurtigkoblinger, og dels mellommoduler som hver enkelt inneholder et mellomstykke (6 henholdsvis 7) med hurtigkoblinger for gass- og kjølevannstilførsel.

17. Anordning ifølge et av flere av kravene 1-16, karakterisert ved at lysbuepassasjen har minst ett diameterøkningsprang (41) sett i gassens hoved-strømningsretning.

18. Anordning ifølge krav 17, karakterisert ved at forholdet mellom diameteren før henholdsvis etter diameterøkningsspranget (41) er mellom 0, 5 og 1, fortrinnsvis mellom 0,7 og 0,9.