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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Plasmabrennern des
Typs, der in Plasmaöfen eingesetzt
wird und beispielsweise zur Zerstörung von flüssigen und festen Abfallprodukten
verwendet wird.
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Wie
unter Bezugnahme auf die beigefügten 1 und 2 zu
sehen ist, die schematisch und im Schnitt zwei Typen elektrischer
Plasmaöfen
darstellen, umfasst ein erstes Beispiel eines Ofens 1 einen
Behälter 2,
dem Schrott, Abfallprodukte, verschiedene Schlacken, toxische und
verunreinigende Verbindungen, die thermisch zu zerstören sind,
usw. zugeführt
werden, die beim Schmelzen ein Bad 3 auf dem Boden 4 des
Behälters 2 bilden.
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Wie
unter alleiniger Bezugnahme auf 1 zu sehen
ist, umfasst der Behälter 2 an
dem Boden 4 einen Herd 5, der als Anode dient
und Teil eines Stromkreises ist, dessen Stromerzeuger nicht dargestellt
ist.
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Der
Behälter
umfasst des Weiteren eine obere Haube 6, durch die sich
eine Lanze 7 erstreckt, die zum Einleiten von flüssigen und
gasförmigen
Materialien, Brennstoff (Sauerstoffträger) und/oder zur Zerstörung bestimmt
ist. Des Weiteren erstreckt sich ein Plasmabrenner 8 (Einzelbrenner)
durch die Haube, der als eine Kathode des Stromkreises dient, wobei geschmolzene
und gasförmige
Verbindungen über ihn
eingeleitet werden.
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Die
angelegte Spannung zündet
einen Lichtbogen 9 zwischen dem proximalen Ende 10 des Brenners 8 in
der Nähe
der Oberfläche
des Bades 3. Der starke Strom in Kombination mit dem starken
Widerstand an dem Lichtbogen bewirkt durch Joule-Effekt die Erzeugung
von Wärme.
Dies führt
zu einem sehr starken Anstieg der Temperatur (15000°C und darüber) so
dass die über
den Brenner eingeleitete Substanz den Zustand von Plasma annimmt.
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Wie
unter alleiniger Bezugnahme auf 2 zu sehen
ist, weist der Behälter 2 bei
einem zweiten Beispiel eines Ofens 1 mit Doppelbrenner
keinen Herd 5 auf. Statt dessen erstreckt sich ein Paar
Brenner durch die Haube 6. Der erste Brenner 8 wirkt
als Kathode des Stromkreises, während
der zweite Brenner 11 als Anode des Stromkreises wirkt.
In diesem Fall wird der Plasma-Lichtbogen 9 zwischen den distalen
Enden 10, 12 der Brenner 8, 11 und
der Oberfläche
des Bades 3 gezündet,
wenn die Lanze 7 zwischen den Brennern 8, 11 positioniert
wird.
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Es
versteht sich, dass die bisherige Beschreibung dieser Ofentypen
allgemein gefasst ist und dazu dient, die Betriebsbedingungen eines
anodischen oder kathodischen Brenners zu erläutern.
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Beide
oben erwähnten
Brenner haben den gleichen funktionellen und strukturellen Aufbau.
Jeder Brenner besteht im Wesentlichen aus einer Elektrode, einer
Düse und
einer äußeren Ummantelung
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Im
Allgemeinen wird jede der drei Komponenten mit vollentsalztem Wasser
gekühlt.
Das Kühlwasser
zirkuliert im Inneren der Elektrode über eine innere Rohrleitung,
beispielsweise aus Messing, die den Wasserstrom umkehrt.
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Beispiele
für diesen
Typ Brenner werden im US-Patent 5,376,767 (Heanley et al.), in der
britischen Patentanmeldung 2,355,379 (Tetronics) und in der PCT-Anmeldung
(WO/90/10366 (Tetronics et al.) gelehrt. Diese Brenner sind jedoch
nicht frei von Mängeln.
Das heißt,
die Köpfe
der Düsen
und die äußeren Ummantelungen
bestehen aus Kupfer und werden an Stahlrohrleitungen, die den Körper dieser Bauteile
bilden, durch elektrisches Löten
angeschweißt,
das mit einer Legierung auf Silberbasis durchgeführt wird. Daher kann während des
normalen Betriebes der Anlage (mit dem gezündeten Plasma) das Metall schmelzen,
wodurch es zum Verlust (Auslaufen) von Kühlwasser im Inneren des Ofens und
an der Plasmazone kommt, wodurch der Betrieb instabil wird und das
Plasma gelöscht
wird.
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Des
Weiteren kommt es zu einer Ablagerung einer Schicht von kohlenstoffhaltiger
Substanz auf den äußeren Ummantelungen,
an der flüssige
korrodierende Substanzen, wie beispielsweise Salzsäure, die
während
des Prozesses der thermischen Zerstörung erzeugt werden, adsorbiert
werden können. Aufgrund
der niedrigen örtlichen
Temperatur des wassergekühlten
Brenners kondensieren diese Substanzen und greifen die Metall oberfläche der äußeren Ummantelung
an. Mit der Zeit bewirkt Korrosion der Ummantelung Versprödung und
dadurch hervorgerufenen Bruch derselben.
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Was
den anodischen Brenner angeht, so weist er weitere Nachteile auf,
die im Wesentlichen auf die verringerten Flächen zurückzuführen sind, an denen sich der
Stromfluss sowohl während
der Zündphase
als auch während
des normalen Betriebs örtlich
konzentriert, so dass es zu Mikroverschweißungen und Lochbildungen kommt.
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Was
die Kühlung
mit vollentsalztem Wasser angeht, so bewirkt sie erheblichen Energieverlust, der
die Leistung des gesamten Systems begrenzt.
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Weitere
Beispiele für
Plasmabrenner, die die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweisen,
sind aus den US-Patenten Nr. 5,406,047, Nr. 4,594,496 und aus der
deutschen Patentanmeldung Nr. 44 44 763 bekannt.
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Das
technische Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt,
besteht darin, einen Plasmabrenner zu schaffen, der die unter Bezugnahme
auf den Stand der Technik erwähnten
Nachteile überwindet.
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Dieses
Problem wird mit einem Plasmabrenner gelöst, der konzentrische Elemente
umfasst, d.h.:
- – eine äußere Ummantelung, die mit einem
Düsenkopf
endet;
- – eine
Düse, die
im Inneren der äußeren Ummantelung
ausgebildet ist; und
- – eine
Elektrode, die mit einem entsprechenden Elektrodenkopf versehen
ist,
und der entsprechende Kühlkreise für ein Kühlmittel umfasst, die im Inneren
der äußeren Ummantelung und
im Inneren der Elektrode ausgebildet sind, wobei jeder Kühlkreis
durch entsprechende Umkehrrohre gebildet wird, die an dem Düsenkopf
bzw. dem Elektrodenkopf einen Abschlussdurchlass haben, der das Umkehrrohr
in einen absteigenden Abschnitt und in einen aufsteigenden Abschnitt
unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Elektrodenkopf der
jeweilige Abschlussdurchlass einen Ringschlitz aufweist, in den
eine Ringlasche so eingesetzt ist, dass sie dem Abschlussdurchlass
den Verlauf eines umgekehrt U-förmigen
Rings verleiht, wobei die Ringlasche als Einrichtung wirkt, die
Wärme von
der Elektrode ableitet.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführung derselben
zusammen mit einigen bevorzugten Ausführungen derselben, die als
nichteinschränkendes
Beispiel dienen, unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei neben den oben erwähnten 1 und 2:
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3 eine
Längsschnittansicht
eines Plasmabrenners gemäß der Erfindung,
insbesondere eines kathodischen Brenners, ist;
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4 eine
Längsschnittansicht
eines weiteren Plasmabrenners gemäß der Erfindung, insbesondere
eines anodischen Brenners, ist;
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5 eine
als Schnitt ausgeführte
Detailansicht des proximalen Endes des Brenners in 3 ist;
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6 eine
als Schnitt ausgeführte
Detailansicht des proximalen Endes des Brenners in 4 ist;
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7 eine
Perspektivansicht eines Details der Brenner der vorangehenden Figuren
ist und
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8 eine
Schnittansicht des Details in 7 ist.
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Wie
unter Bezugnahme auf 3 und 5 zu sehen
ist, hat ein kathodischer Brenner 8 einen röhrenförmigen Körper, der
konzentrische Elemente aufweist. Der Brenner umfasst, von der Symmetrie-Mittelachse
ausgehend, von innen nach außen eine
Elektrode 13, die in eine Düse 14 eingeführt ist, die
aus einem röhrenförmigen Durchlass 16 und
aus röhrenförmigen Wänden 17 besteht.
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Die
Elektrode 13 umfasst am proximalen Ende 10 des
Brenners 8 einen Elektrodenkopf 18, der mit einer
Metallbeschichtung 19 endet.
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Die
Metallbeschichtung 19 hat eine Schmelztemperatur von über 1600°C, besteht
geeigneterweise aus Wolfram und wird mit einem Plasma-Spritzverfahren
aufgetragen.
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Im
Inneren der Elektrode 13 befindet sich ein erstes Umkehrrohr 20,
das sich zu dem Kopf 18 erstreckt, so dass eine erste Ringleitung 21 zwischen den
Innenwänden
der Elektrode 13 und der Außenwand des ersten Umkehrrohrs 20 ausgebildet
wird. An dem Kopf 18 ist das erste Umkehrrohr 20 beabstandet,
so dass ein erster Abschlussdurchlass 22 verbleibt.
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Das
heißt,
das erste Umkehrrohr 20 endet in einem Kühlmittel-Umkehrelement 23,
in dem an dem Kopf 18 ein Ringschlitz 24 ausgebildet
ist. Komplementär
dazu weist die Spitze 18 im Inneren der Elektrode 13 eine
Ringlasche 25 auf, die in dem Elektrodenkopf 18 ausgebildet
und in den Ringschlitz 24 eingeführt ist, um dem Abschlussdurchlass 22 einen umgekehrt
U-förmigen
Ringverlauf zu verleihen (siehe 5).
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Die
erste Ringleitung 21 ist mit dem Inneren des ersten Umkehrrohrs 20 durch
den ersten Abschlussdurchlass 22 verbunden, so dass eine
erste innere Kühlleitung
entsteht, die ihren aufsteigenden Abschnitt in der ersten Ringleitung 21 und
ihren absteigenden Abschnitt im Inneren des ersten Umkehrrohrs 20 hat.
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Im
Folgenden bedeutet "absteigend" zum proximalen Ende
hin, und "aufsteigend" das Gegenteil.
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Des
Weiteren umfasst der Brenner 8 eine äußere Ummantelung 26,
die mit den röhrenförmigen Wänden 17 einen
Ringspalt bildet, in dem ein zweites Umkehrrohr 46 aufgenommen
ist, das so angeordnet ist, dass es am proximalen Ende 10 des
Brenners 8 einen zweiten Abschlussdurchlass 27 belässt.
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Wie
zu sehen ist, endet die äußere Ummantelung 26 in
einem Düsenkopf 28,
der mit den röhrenförmigen Wänden 17 der
Düse 14 verbunden
ist. Des Weiteren endet das zweite Umkehrrohr 46 wie das erste
in einem entsprechenden zweiten Umkehrelement 29 und weist
den Abschlussdurchlass 27 daran auf.
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Das
zweite Umkehrrohr 46 bildet mit dem zweiten Abschlussdurchlass 27,
den röhrenförmigen Wänden 17 und
der äußeren Ummantelung 26 einen ersten äußeren Kühlkreis,
der einen ringförmigen
inneren absteigenden Abschnitt 31 und einen äußeren absteigenden
Abschnitt 33 hat.
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Der
Düsenkopf 28 umfasst
an dem proximalen Ende 10 des Brenners 8 einen
Ring 34 aus feuerfestem Material. Des Weiteren enthält die Düse 14 ein
Abgabeelement 35, das geeignet ist, das plasmabildende
Gas zu verwirbeln, das an dem röhrenförmigen Spalt 16 absteigt.
Das Abgabeelement 35 wird von dem Körper der äußeren Ummantelung mit einem
Isolator 36 aus keramischem Material getragen.
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Der
Düsenkopf
des kathodischen Brenners 8 ist konisch.
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Ein
anodischer Brenner, der nach den gleichen Prinzipien wie die vorangehenden
Beispiele aufgebaut ist, wird im Folgenden beschrieben. Gleiche
Zahlen kennzeichnen gleiche Bauteile.
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Wie
unter Bezugnahme auf 4 und 6 zusehen
ist, weist ein anodischer Brenner 10 ebenfalls einen röhrenförmigen Körper auf,
der konzentrische Elemente hat. Wiederum von der Symmetrie-Mittelachse
ausgehend umfasst der Brenner von innen nach außen eine anodische Elektrode 37,
die in eine Düse 14 eingeführt ist,
die aus einem röhrenförmigen Durchlass 16 und
röhrenförmigen Wänden 17 besteht.
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Die
anodische Elektrode 37 umfasst am proximalen Ende 12 des
Brenners 10 einen Elektrodenkopf 18, der einen
Mittelkanal 38 hat, der an der Innenseite der anodischen
Elektrode 37 offen ist. Im Inneren der Elektrode 37 befindet
sich ein erstes Umkehrrohr 20, das sich zu dem Kopf 18 erstreckt,
so dass eine erste Ringleitung 21 zwischen den Innenwänden der
Elektrode 13 und der Außenwand des ersten Umkehrrohrs 20 ausgebildet
wird. An dem Kopf 18 ist das erste Umkehrrohr 20 beabstandet,
so dass ein erster Abschlussdurchlass 22 verbleibt.
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Das
heißt,
das erste Umkehrrohr 20 endet in einem Umkehrelement 23,
das an dem Kopf 18 einen Ringschlitz 24 aufweist.
Komplementär
dazu hat die Spitze 18 im Inneren der Elektrode 37 eine
Ringlasche 25, die in den Ringschlitz 24 eingeführt ist,
um dem Abschlussdurchlass 22 einen umgekehrt U-förmigen Ringverlauf
zu verleihen (siehe 6).
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Von
dem Mittelkanal 38 zweigt, durch den gesamten Elektrodenkörper verlaufend
und damit den Strom von plasmabildendem Gas und/oder optionalen
Materialien, die thermisch zerstört
werden sollen, ermöglichend,
ein Innenrohr 39 konzentrisch ab, das zusammen mit dem
ersten Umkehrrohr 20 eine zweite Ringleitung 40 bildet,
die durch den ersten Abschlussdurchlass 22 mit der ersten
Ringleitung 21 verbunden ist, so dass ein erster innerer
Kühlkreis gebildet
wird, der seinen aufsteigenden Abschnitt in der ersten Ringleitung 21 und
seinen absteigenden Abschnitt in der zweiten Ringleitung 40 hat.
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Der
erste Kühlkreis
eignet sich dazu, von gekühltem
Fluid durchquert zu werden, insbesondere von vollentsalztem Wasser,
das mit einer geeigneten Konditioniervorrichtung gekühlt wird.
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Der
Kopf 18 der anodischen Elektrode 37 ist geeigneterweise
mit einer Metallbeschichtung beschichtet, die einen Reflexionsgrad
von weniger als 0,8 hat und vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt wird,
die Molybdän
und Nickel umfasst.
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Des
Weiteren fasst der anodische Brenner 10 eine äußere Ummantelung 26,
die zusammen mit den röhrenförmigen Wänden 17 einen
Ringspalt bildet, in dem ein zweites Umkehrrohr 48 aufgenommen
ist, das so angeordnet ist, dass am proximalen Ende 10 des
Brenners 8 ein zweiter Abschlussdurchlass 27 verbleibt.
Das heißt,
die äußere Ummantelung 26 endet
in einem Düsenkopf 28,
der mit den röhrenförmigen Wänden 17 der
Düse 14 verbunden ist.
Des Weiteren endet das zweite Umkehrrohr 46 wie das erste
in einem entsprechenden zweiten Umkehrelement 29 und bildet
einen zweiten Abschlussdurchlass 27 daran.
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Das
zweite Umkehrrohr 46 bildet zusammen mit dem zweiten Abschlussdurchlass 27,
den röhrenförmigen Wänden 17 und
der äußeren Ummantelung 26 einen
ersten äuße ren Kühlkreis,
der einen ringförmigen
inneren absteigenden Abschnitt 31 und einen äußeren absteigenden
Abschnitt 33 hat.
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Die
Düse 14 enthält ein Abgabeelement 35, das
geeignet ist, um das plasmabildende Gas zu verwirbeln, das entlang
des röhrenförmigen Spalts 16 absteigt.
Das Abgabeelement 35 ist direkt an den röhrenförmigen Wänden 17 befestigt.
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Der
anodische Brenner 10 hat an seinem proximalen Ende einen
Durchmesser, der dem restlichen Brennerkörper entspricht. Des Weiteren
umfasst der Düsenkopf 28 am
proximalen Ende 10 des Brenners 8 einen Ring 34 aus
feuerfestem Material.
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So
haben beide oben beschriebenen Brenner bestimmte Merkmale gemeinsam,
von denen eine Keramikbeschichtung 44, beispielsweise aus Zirkoniumoxid
(ZrO2), erwähnt werden muss. Diese Beschichtung
kann mit einem Plasma-Spritzverfahren so aufgetragen werden, dass
eine Dicke entsteht, die von 30 bis 70 μm reicht, vorzugsweise 50 μm beträgt.
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Bei
beiden Brennern besteht der Elektrodenkopf 18 mit den Ringlaschen 25 aus
einem stark wärme-
und stromleitenden Material, bei diesem Beispiel Kupfer.
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Die
Ringlasche 25 ist ein Mittel, mit dem die Wärme von
der Elektrode an den ersten Kühlkreis abgegeben
wird, und befindet sich im Inneren des letzteren.
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Das
heißt,
das Vorhandensein dieser Lasche ermöglicht nicht nur eine Gesamttemperaturverringerung
und einen höheren
Wärmeableitungswirkungsgrad,
sondern vergrößert auch
die Austauschfläche, und
eine ausgeprägtere
Gewundenheit des Weges ermöglicht
es, die negativen Erscheinungen zu vermeiden, die typisch für den anodischen
Brenner sind.
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Eine
Variante sieht vor, dass der Elektrodenkopf mit einer stark reflektierenden
Metallbeschichtung beschichtet wird, um die Menge an Wärme weiter
zu verringern, die durch das Kühlwasser
abgeführt
wird. Vorzugsweise besteht der Ring 34 aus feuerfestem
Material, der die Öffnung
der Düse 14 bildet,
aus Siliziumkarbid (SiC), während
der Isolator 35 des kathodischen Brenners 8 aus
Aluminiumoxid (Al2O3)
besteht.
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Das
Vorhandensein dieses Rings ermöglicht es
letzterem, als eine Membran zu wirken, um die elektrofluiddynamischen
Bedingungen der Plasma-Erzeugungszone, d.h. in der Stromkreiserzeugungszone,
zu modifizieren.
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Das
heißt,
der Ring lenkt die Bahn des plasmaerzeugenden Gases in die Mitte,
so dass ein Kissen aus plasmaerzeugendem Gas entsteht. Das vorgewählte Material
zeichnet sich durch adäquate
mechanische Festigkeit, hohe Schmelztemperatur und verringerte Wärme- und
Stromleitfähigkeit
aus.
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Das
Hinzufügen
des Rings erhöht
die Stabilität
des Plasmas unter beliebigen Betriebsbedingungen, verbessert die
Verteilung desselben und macht so das Vorhandensein von fluiddynamischen
Störungen
unerheblich.
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Des
Weiteren wird durch das Hinzufügen
die Zuverlässigkeit
verbessert, indem zufällige
Lichtbogenlöschungen
zwischen dem Plasma und der Düse vermieden
werden, und die durch das gekühlte vollentsalzte
Wasser transportierte Energie wird verringert, d.h. der Düsenkopf
wird abgeschirmt.
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Was
schließlich
die Materialien angeht, so bestehen der gesamte röhrenförmige Körper der Brenner 8, 10 und
insbesondere die Düsenköpfe 28 aus
Stahl, vorzugsweise einem AISI-Edelstahl. Ein sehr wichtiges Merkmal
des kathodischen (7 und 8) und des
anodischen Düsenkopfes
besteht darin, dass er eine abgerundete Außenkante 45 umfasst,
insbesondere um den Formfaktor der Oberfläche des Kopfes zu verringern,
der direkt der Plasma-Wärmestrahlung
ausgesetzt ist.
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Eine
bevorzugte Rundung ist geeignet, um den Faktor um wenigstens 30
% und bis zu 40 % zu verringern.
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Was
den Düsenkopf
angeht, so erleichtert der Austausch des Kupferkopfes gegen einen
Kopf aus Edelstahl das Schweißen
der Rohre, da sie ebenfalls aus Edelstahl bestehen. Der Kopf ist
so bemessen, dass die fluiddynamischen Bedingungen des Kühlwassers
im Inneren der äußeren Ummantelung
aufrechterhalten werden. Die Dicke des Kopfes verringert sich jedoch,
um die Temperatur der Außenfläche auf
relativ niedrigen Werten (in jedem Fall jedoch höher als die des Kupfers) zu
halten, die in keiner Weise kritisch hinsichtlich der mechanischen Leistung
der Materialien sind.
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So
ist es möglich,
von einer Betriebstemperatur von 150°C (bei gezündetem Plasma) mit dem Kupferkopf
zu einer Temperatur von 400°C
mit dem Kopf aus Edelstahl überzugehen.
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Die
bisher beschriebenen neuartigen Erfindungen, die an den Brennern
ausgeführt
wurden, erreichen die folgenden Ziele:
- – Verringerung
der normalen Wartungskosten des Brenners;
- – Verbesserung
der Zuverlässigkeit
und Lebensdauer des Brenners; und
- – Verringerung
der Energie, die von dem Brenner-Kühlsystem abgeleitet wird, Verringerung
der abgeleiteten Wärmemenge
sowie der eingesetzten Menge an Wasser.
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An
dem oben beschriebenen Plasmabrenner könnte ein Fachmann, um weitere
entsprechende Erfordernisse zu erfüllen, verschiedene weitere
Abwandlungen und Änderungen
vornehmen, die jedoch in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
fallen, wie er durch die beigefügten
Ansprüche
definiert wird.