Плазменная горелка - RU2074533C1

Описание

Изобретение относится к плазменной горелке, предпочтительно для подачи энергии для химических процессов. Плазменная горелка снабжена несколькими трубчатыми электродами, расположенными соосно друг с другом. Электроды соединены с источником питания. Газ подается через внутренний электрод и проходит в пространство между электродами. Высокотемпературная плазма формируется газом, нагретым электрической дугой, возникающей между электродами.

Для получения желаемых химических реакций в газах или в смеси газа и жидкости или твердых частиц в некоторых случаях требуется подвод энергии. Некоторые химические реакции в газах происходят при чрезвычайно высоких температурах порядка 1000-3000^oC. Необходимо также иметь возможность проверять количество и температуру газа с тем, чтобы контролировать и регулировать химический процесс такого типа. Используя технологию нагрева газа в электрической дуге в плазменной горелке, можно добиться выполнения вышеуказанных условий.

Известна плазменная горелка (патент USA N 4390772), содержащая охлаждаемый водой центральный трубчатый электрод и два охлаждаемых водой трубчатых сопловых элемента, внутренний и наружный, которые его окружают.

Электрод и элементы электроизолированы друг от друга. Внутренний элемент представляет собой вводную трубку, и среда, предназначенная для обработки, подается через осевую расточку этого элемента. Плазмообразующий газ подается через кольцевые зазоры между электродом и элементами. Имеется также магнитная катушка, которая генерирует магнитное поле в зоне плазмообразования. Горелка является устройством прямого действия, в котором дуга зажигается между центральным электродом и обрабатываемой деталью, находящейся снаружи горелки и выполняющей функцию электрода. Наружный трубчатый элемент подсоединен к источнику электропитания через резистор с тем, чтобы обеспечивать дуговой разряд и зажигание дуги в горелке преимущественно в течение пусковой операции и сохранять дугу в горелке при замене наружной обрабатываемой детали.

Вышеописанная и другие известные до настоящего времени плазменные горелки используются в первую очередь и главным образом для нагрева газа сварки и резки стали, для нагрева в металлургических процессах и в лабораторных экспериментах. Поскольку часто они потребляют большие количества плазмообразующего газа, так как тепло, генерируемое в дуге, рассеивается именно потоком газа через горелку, в некоторых случаях они малоприемлемы с точки зрения экономики.

Цель изобретения создание плазменной горелки, имеющей хорошую тепловую экономичность, длительный срок службы электродов и надежную в работе конструкцию, пригодную для промышленного применения.

Цель достигается с помощью плазменной горелки, которая состоит из нескольких трубчатых электродов, расположенных соосно один внутри другого. С одного конца плазменная горелка закрыта, в то время как другой конец ее остается открытым. Электроды можно перемещать аксиально друг относительно друга. Электроды предпочтительно электрически изолированы друг от друга и соединены с источником электроэнергии. Во временном электроде и в пространстве между электродами имеются средства для введения газа. Высокотемпературная плазма образуется газом, который нагревается и ионизируется электрической дугой.

Согласно настоящему изобретению один внутри другого соосно расположены три или более электрода. В своей простейшей форме горелка оснащена тремя электродами: центральным электродом, вспомогательным электродом и, наконец, внешним электродом. В других вариантах воплощения один или более электрод может располагаться вне внешнего электрода и соосно с ним. Между электродами выполнены кольцевые каналы. В центральный электрод и в кольцевые каналы можно вводить плазмообразующий газ и/или реагенты.

В качестве плазмообразующего газа можно использовать инертный газ, такой как азот или аргон. Такой газ обычно не участвует в химических реакциях, проходящих в плазменной горелке, и не влияет на них. Плазмообразующим газом может быть и газ того типа, который образуется как продукт реакции в плазменной горелке.

Реагентом может быть чистый газ или газ в смеси с жидкостью или твердыми частицами, которые желательно ввести в плазму, например, вещества, подверженные тепловому распаду. Реагент сам по себе может быть плазмообразующим газом.

Электроды в плазменной горелке выполнены твердыми и могут быть расходуемыми. Материалом, используемым для электродов, предпочтительно является графит, имеющий высокую точку плавления и требующий незначительного охлаждения. Это существенно упрощает конструкцию плазменной горелки и очень важно для улучшения энергетической эффективности горелки.

Электроды могут перемещаться аксиально друг относительно друга. Такая регулировка положения электродов друг относительно друга обеспечивает возможность изменять среднюю длину дуги и, следовательно, рабочее напряжение, что в свою очередь оказывает влияние на тепловую производительность. Кроме того, это позволяет менять форму дуги. Если внешний электрод установлен так, что выступает за пределы центрального электрода, то зона плазмы ставится воронкообразной и обеспечивает интенсивную теплоотдачу реагенту, подаваемому в центр зоны плазмы. Если центральный электрод выступает за пределы внешнего электрода, зона плазмы принимает заостренную форму и большую часть тепла будет отдавать в окружающую камеру, и меньшую непосредственно реагенту, подаваемому в центр. Таким образом, можно регулировать аксиальное положение электродов в соответствии со свойствами нагреваемой среды.

На плазменную горелку подается электроэнергия от источника питания. Электроды соединены с источником питания проводниками, при необходимости охлаждаемыми. На плазменную горелку можно подавать переменный ток или предпочтительно постоянный ток.

Электроды плазменной горелки могут подключаться двумя различными способами. Вспомогательный электрод может подключаться либо к центральному электроду, либо к внешнему электроду. При использовании постоянного тока, таким образом, можно использовать четыре варианта подключения.

При одном из вариантов вспомогательный электрод соединяется с внешним электродом так, что эти два электрода имеют один и тот же потенциал. Они предпочтительно подключаются к положительному полюсу в качестве анода. Тогда центральный электрод подключается к отрицательному полюсу в качестве катода.

При таком соединении полярность можно менять, подключая центральный электрод к положительному полюсу в качестве анода, а два соединенных внешних электрода подключая к отрицательному полюсу в качестве катода.

Другим возможным вариантом является соединение вспомогательного электрода с центральным так, чтобы эти два электрода имели одинаковый потенциал. Затем они предпочтительно подключаются к положительному полюсу в качестве анода, а внешний электрод подключается к отрицательному полюсу в качестве анода. В этом варианте также можно менять поляpность электродов, соединяя два соединенных электрода с отрицательным полюсом в качестве катода, в внешний электрод с положительным полюсом в качестве анода.

Когда используется первое из упомянутых выше соединений, внешний электрод и его держатель, а также вспомогательный электрод и его держатель предпочтительно имеют потенциал земли. Поэтому нет опасности касания друг друга этих двух электродов или их держателей. Центральный электрод и его держатель имеют определенное напряжение относительно земли и поэтому электрически изолированы от устройства, используемого для осевого позиционирования.

Целью создания горелки с внешним электродом и вспомогательным внутренним электродом, когда оба эти электрода соединены с одним и тем же напряжением, является обеспечение надежности зажигания дуги и создания устройства стабильного повторного зажигания плазменной горелки.

Вспомогательный электрод играет важнейшую роль при запуске горелки при холодном плазмообразующем газе и для того, чтобы добиться стабильной работы при низких рабочих температурах.

Испытания показали также, что горелка, оснащенная вспомогательным электродом, обеспечивает стабильность работы при более низких температурах электродов по сравнению с горелкой без вспомогательного электрода при использовании одного и того же плазмообразующего газа.

Вспомогательный электрод обеспечивает надежность зажигания горелки, когда рабочее напряжение подано на электроды. Вспомогательный электрод установлен столь близко к центральному электроду, что между ними при подаче напряжения возникает электрическая искра и немедленно формируется дуга. Таким образом, вспомогательный электрод можно охарактеризовать как поджигающий электрод. Расстояние между электродами определяется в первую очередь и главным образом рабочим напряжением, однако оно зависит и от других факторов, таких как тип используемого плазмообразующего газа.

Магнитные силы перемещают дугу к концам электродов и в пространство, находящееся за концами электродов, и после того, как дуга зажглась, она обладает способностью достигать большей длины при том же напряжении между электродами. Таким образом, ее точка контакта на вспомогательном электроде движется вперед и перескакивает на внешний электрод, имеющий тот же потенциал. Поскольку этот процесс занимает очень короткое время, вспомогательный электрод подвержен очень незначительной эрозии по сравнению с эрозией, воздействующей на внешний и центральный электроды, на которые дуга опирается своими контактными точками большую часть времени.

Вспомогательный электрод можно помещать в осевом направлении относительно внешнего электрода. Во время работы вспомогательный электрод находится в убранном положении, но лишь настолько, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру поверхности центрального электрода непосредственно над концом вспомогательного электрода для эмиссии электронов, таким образом обеспечивая повторный поджиг. Однако вспомогательный электрод убран на достаточно большое расстояние, чтобы предотвратить постоянное формирование контактной точки дуги.

Внешний электрод и вспомогательный электрод имеют одинаковое напряжение. Соединение может быть выполнено внутри или вне горелки. Если соединение выполнено внутри горелки, обычно между этими двумя электродами электрическая изоляция не используется.

Однако, для регулировки осевого положения вспомогательного электрода может использоваться система управления, которая минимизирует среднюю интенсивность тока, протекающего через него. Таким образом существенно уменьшается износ вспомогательного электрода. Внешний и вспомогательный электроды в таком случае изолируются друг от друга. Поэтому ток, протекающий по этим электродам, можно измерять независимо, подавая данные на систему управления.

Было обнаружено, что дуга в плазменной горелке, выполненной с соответствии с настоящим изобретением, выталкивается к концам электродов и во внешнее пространство за их концами. Это происходит в результате воздействия электромагнитных сил, возникающих в дуге, и подаваемого в горелку газа, выталкивающего ее вовне. В итоге дуга становится столь длинной, что разрывается и гаснет.

После того, как дуга между внешним и центральным электродами погаснет, она будет немедленно вновь подожжена вспомогательным электродом и центральным электродом. Было обнаружено, что при нормальной работе дуга постоянно гаснет и должна быть подожжена вновь, что делает вспомогательный электрод, описанный выше, абсолютно необходимым для постоянной работы плазменной горелки.

Плазменная горелка оснащена кольцевой магнитной обмоткой или кольцевым постоянным магнитом, расположенным вне электрода, либо вокруг конца электродов в той зоне горелки, где формируется дуга, либо рядом с этой зоной.

Магнитная обмотка или постоянный магнит расположены так, чтобы создавать осевое магнитное поле в этой зоне горелки, заставляя дугу поворачиваться вокруг центральной оси горелки. Это важно для операционной стабильности горелки.

Вдоль центральной оси горелки можно разместить один или несколько участков, выполненных из ферромагнитного материала. Такие участки будут концентрировать магнитное поле в рабочей зоне горелки и, по желанию, проводить магнитное поле из зон сильным осевым магнитным полем в зону дуги. Такие участки и их размещение изложены в заявке на патент Норвегии 11о.91 4910.

Кроме этого, магнитное поле препятствует смещению дуги с конкретной точки на внутреннем электроде в конкретную точку на внешнем электроде, вызывая образование кратеров и разрывов на поверхности электродов. Под влиянием магнитного поля дуга будет вращаться по периферии этих электродов, тем самым равномерно распределяя эрозию по поверхности электрода и существенно снижая износ электродов. Вследствие этого можно повысить нагрузку на электроды.

На чертеже показана предлагаемая плазменная горелка, вертикальное сечение.

Плазменная горелка состоит из внешнего электрода 1, вспомогательного электрода 2 и центрального электрода 3. Электроды выполнены трубчатыми и расположены соосно внутри друг друга. Электроды выполнены с возможностью осевого перемещения друг относительно друга. Оборудованием для осевого перемещения электродов являются, например, гидравлические или пневматические цилиндры (на чертеже не показано).

Электроды выполнены жесткими и могут быть расходуемыми, т.е. они могут непрерывно подаваться вперед по мере нарастания эрозии или износа. Поэтому они не требуют внутреннего охлаждения охлаждающей средой, что значительно упрощает конструкцию плазменной горелки. В качестве электродов могут использоваться все типы неметаллических электропроводных материалов, предпочтительно материалы с высокой точкой плавления, такие как карбид кремния или графит. Выбор материала также зависит от его стойкости к атмосфере в рабочей зоне во время ведения соответствующего процесса.

Плазменная горелка с одного торца закрыта кольцевыми изолирующими дисками 5, 6 и 7. Изолирующие диски одновременно служат уплотнением между электродами.

Плазмообразующий газ и/или реагент можно подавать в пространство внутри центрального электрода 3 и в кольцевое пространство между электродами. Питающие трубы для подачи газа в плазменную горелку через изолирующие диски на чертеже не показаны.

Плазменная горелка выполнена с возможностью подачи реагента через центральный электрод 3 по специальной входной трубе 4. Подходящая входная труба 4 описана, например, в заявке на патент Норвегии 11о.91 4911.

Поскольку электроды предпочтительно являются расходуемыми, центральный электрод 3 может выдвигаться во время работы и перемещаться в осевом направлении, позволяя тем самым регулировать положение его конца.

Энергия на электроды подается от системы источника питания (на чертеже не показана). Источник питания запитывает электроды по кабелям 8, 9 и 10, показанным на чертеже сплошными линиями.

Кабель 10 внешнего электрода и кабель 9 промежуточного электрода соединены вместе за пределами горелки с помощью соединения внахлест или перемычки 11. Такое соединение выполняется до подключения какого-либо встроенного измерительного прибора для регистрации тока, текущего через электроды. Внешний электрод 1 и промежуточный электрод 2, таким образом, имеют одинаковый потенциал и, предпочтительно, подключаются к положительному полюсу источника в качестве анода. Центральный электрод 3 предпочтительно подключается к отрицательному полюсу источника в качестве анода.

Кольцевая магнитная обмотка 12 или кольцевой постоянный магнит расположены вокруг электродов предпочтительно вне зоны образования дуги. Магнитная обмотка 12 или постоянный магнит создают в этой зоне горелки осевое магнитное поле.

Вспомогательный электрод 2 и центральный электрод 3 имеют такие размеры, чтобы радиальное расстояние между ними было мало. При подаче напряжения между этими электродами проскакивает искра и поджигается дуга. Рабочее напряжение и расстояние между электродами выбираются такими, что искра проскакивает всегда. Этим обеспечивается надежное зажигание горелки.

Магнитные силы сдвигают дугу к концам электродов и после поджига дуги она получает возможность увеличить свое длину при том же напряжении между электродами. Контактная точка дуги сойдет со вспомогательного электрода 2 в радиальном направлении и перейдет на внешний электрод 1, который имеет тот же потенциал. После того, как дуга возникнет, она тем самым будет поддерживаться между центральным электродом 3 и внешним электродом 1.

Вспомогательный электрод может перемещаться в осевом направлении. Во время работы он удаляется от зоны плазмы. Вспомогательный электрод 2 затем удаляется на расстояние, препятствующее переходу на него точки контакта дуги, которая вместо этого поддерживается между внешним электродом 1 и центральным электродом 3. Оптимальное положение для вспомогательного электрода 2 может быть задано управляющей системой, которая, например, измеряет ток, текущий через него. Оптимальное положение достигается тогда, когда средняя интенсивность тока, текущего через вспомогательный электрод 2, достигает минимума.

Дуга в предлагаемой плазменной горелке будет выталкиваться с концов электродов. Это происходит из-за воздействия разделяющих электромагнитных сил, возникающих в дуге, и газа, вдуваемого в пространство и выталкивающего дугу вовне. В итоге дуга становится столь длинной, что рвется и гаснет.

После того, как дуга между внешним электродом 1 и центральным электродом 3 погаснет, она немедленно будет подожжена между вспомогательным электродом 2 и центральным электродом 3. Интенсивность поля между этими электродами достаточна для эмиссии электронов с поверхности катода, имеющей высокую температуру, тем самым мгновенно поджигая дугу. Таким образом не регистрируется никакого перерыва в подаче питания, поскольку основной ток перейдет с электрода 1 на электрод 2.

После этого контактная точка дуги перейдет со вспомогательного электрода 2 на внешний электрод 1. Электроды имеют столь высокую температуру, что излучают электроды в окружающую их зону и дуга между внешним электродом 1 и центральным электродом 3 восстанавливается спустя миллисекунды после того, как погаснет.

Было обнаружено, что во время работы дуга постоянно гаснет и восстанавливается. Вспомогательный электрод, который также можно охарактеризовать как поджигающей электрод, таким образом, абсолютно необходим для непрерывной работы предлагаемой плазменной горелки.

Реферат

Использование: электродуговые устройства, используемые для подачи энергии, например, в химических процессах. Сущность изобретения: горелка содержит, по меньшей мере, три жестких трубчатых электрода (1,2 и 3), расположенных соосно один в другом. Электроды (1,2 и 3) могут смещаться в осевом направлении относительно друг друга. Они предпочтительно электрически изолированы (5,6,7) друг от друга и имеют соединения (8,9,10,11) с источником питания. При использовании трех электродов средний электрод (2) используется как вспомогательный электрод или поджигающий электрод. Затем он соединяется с одним из остальных электродов (1). Расстояние до третьего электрода адаптировано к рабочему напряжению так, что при подаче рабочего напряжения между электродами возникает искра. При работе вспомогательный электрод (2) отводится из зоны плазмы, предотвращая возникновение постоянной дуги между ним и другим электродом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула