NO329242B1

NO329242B1 - Method and apparatus for heating a fluid

Info

Publication number: NO329242B1
Application number: NO20081871A
Authority: NO
Inventors: Karl Venas
Original assignee: Alu Innovation As
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2010-09-20
Also published as: NO20081871L

Abstract

Framgangsmåte for oppvarming av et fluidum, særlig av et fluidum som mangler elektrisk ledningsevne. Et rotorlegeme (10) som er anordnet i et kammer for opptak av fluidet settes i rotasjon av en generelt vertikal aksel (11). Det påtrykkes spenning på en stangformet elektrode (16) som er anordnet sentralt i et rotorkammer (12) og på rotorkammets bunn (13), for opprettelse av en lysbue. Dessuten skapes det en strøm av fluidet forbi lysbuen. Lysbuens lengde (L) holdes generelt konstant ved å regulere den stangformete elektrodens (16) stilling og fluidet føres inn i rotorkammeret (12) nedenfra, Fluidet holdes utenfor lysbuen, ved at det tas sideveis ut ved bunnen av rotorkammeret. Det er også angitt en anordning for å gjennomføre denne framgangsmåten.Method for heating a fluid, in particular a fluid which lacks electrical conductivity. A rotor body (10) arranged in a chamber for receiving the fluid is set in rotation by a generally vertical shaft (11). Voltage is applied to a rod-shaped electrode (16) arranged centrally in a rotor chamber (12) and to the bottom (13) of the rotor chamber, to create an arc. In addition, a flow of fluid is created past the arc. The length (L) of the arc is generally kept constant by regulating the position of the rod-shaped electrode (16) and the fluid is introduced into the rotor chamber (12) from below. The fluid is kept outside the arc by being taken out laterally at the bottom of the rotor chamber. A device is also provided for carrying out this method.

Description

Framgangsmåte og anordning for oppvarming av et fluidum Method and device for heating a fluid

Oppfinnelsen gjelder en framgangsmåte som angitt i innledningen til patentkrav 1, for oppvarming av et fluidum ved å opprettholde en lysbue i en rotor som er i det minste delvis nedsenket i fluidet. Videre omfatter den en anordning som angitt i innledningen til patentkrav 3, for å gjennomføre denne framgangsmåten. Med "fluidum" menes her alle væsker, gasser og partikler og blandinger av disse som kan pumpes og transporteres til og fra en beholder hvor anordningen er innebygd. The invention relates to a method as stated in the introduction to patent claim 1, for heating a fluid by maintaining an arc in a rotor which is at least partially immersed in the fluid. Furthermore, it includes a device as stated in the introduction to patent claim 3, to carry out this procedure. By "fluid" is meant here all liquids, gases and particles and mixtures of these that can be pumped and transported to and from a container where the device is embedded.

Bakgrunn Background

Fra norsk patentskrift 318848 er det kjent en anordning for tilførsel av varme til ei metallsmelte, hvor det i en beholder med lokk og med åpninger for tilførsel og bortførsel av smelte er anordnet en rotor i form av et hult rotasjonslegeme og med en hul drivaksel som opptar en stangformet elektrode for tilførsel av elektrisk strøm til dannelse av en lysbue mot overflata av metallet og hvor den hule drivakselen er innrettet for tilførsel av gass til metallsmelta. From Norwegian patent document 318848, a device for supplying heat to a metal melt is known, where a rotor in the form of a hollow body of rotation and with a hollow drive shaft which occupies a rod-shaped electrode for the supply of electric current to form an arc against the surface of the metal and where the hollow drive shaft is arranged for the supply of gas to the metal melt.

Enden av den stangormete elektroden er anbrakt i en hul rotor med åpning nedover mot bunnen av beholderen. Rotoren er innrettet for å gi plass for ei overflate av metallsmelta, slik at lysbuen dannes inne i rotoren, mot metallsmelta. The end of the rod-shaped electrode is placed in a hollow rotor with an opening downwards towards the bottom of the container. The rotor is arranged to provide space for a surface of the molten metal, so that the arc is formed inside the rotor, against the molten metal.

En viktig svakhet ved denne anordningen er at den bare kan brukes ved fluider som er strømledende. An important weakness of this device is that it can only be used with fluids that are conductive.

Fra US-patentskrift 5,255,25 (Meredith 1993) er det kjent å utforme en lysbueovn med en stavelektrode og en bunnelektrode som danner en del av smelteovnens bunn. Denne ovnen har ikke vært nyttet i forbindelse med rotorelektoder og lar seg vanskelig tilpasse for slike formål. From US patent 5,255,25 (Meredith 1993) it is known to design an arc furnace with a rod electrode and a bottom electrode which forms part of the bottom of the melting furnace. This oven has not been used in connection with rotor electrodes and is difficult to adapt for such purposes.

Formål Purpose

Hovedformålet med oppfinnelsen er derfor å skape en forbedring av den kjente framgangsmåten, som kan brukes for de fleste kjente væsker, i tillegg til metallsmelter. Den bør egnet for oppvarming av vann, slaggsmelter, organiske væsker med mer. Oppfinnelsen bør også kunne brukes til å varme opp luft og andre gasser. The main purpose of the invention is therefore to create an improvement of the known method, which can be used for most known liquids, in addition to metal melts. It should be suitable for heating water, slag melts, organic liquids and more. The invention should also be able to be used to heat air and other gases.

Videre er det et formål å skape en anordning for gjennomføring av denne framgangsmåten. Denne anordningen bør være driftssikker og kunne tilpasses for oppvarming av forskjellige fluider og kunne ha regulerbar effekt. Furthermore, it is an aim to create a device for carrying out this procedure. This device should be operationally reliable and could be adapted for heating different fluids and could have an adjustable effect.

Oppfinnelsen The invention

Framgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Det vesentlige nye ligger i at lysbuens lengde holdes generelt konstant ved å regulere av den stangformete elektrodens stilling og ved at fluidet føres inn i rotorkammeret nedenfra og at holdes utenfor lysbuen, ved at det tas sideveis ut ved bunnen av rotorkammeret. The method in accordance with the invention is stated in patent claim 1. The essential novelty lies in the fact that the length of the arc is generally kept constant by regulating the position of the rod-shaped electrode and by introducing the fluid into the rotor chamber from below and by keeping it outside the arc by taking it sideways out at the bottom of the rotor chamber.

Med denne framgangsmåte blir det mulig å gjennomføre oppvarming av forskjellig væsker, medregnet smelter. Effekten som avgis fra lysbuen styres ved å regulere spenningen. Ved å regulere hastigheten på rotoren blir det mulig å tilpasse fluidets overflate mot lysbuen og på den måten gjøre varmeoverføringen optimal. With this procedure, it becomes possible to heat different liquids, including melts. The power emitted from the arc is controlled by regulating the voltage. By regulating the speed of the rotor, it becomes possible to adapt the surface of the fluid to the arc and in this way make the heat transfer optimal.

Framgangsmåten kan gjennomføres særlig effektivt, dersom fluidet kan pumpes inn i rotorkammeret med lysbuen, som angitt i patentkrav 2. The procedure can be carried out particularly effectively, if the fluid can be pumped into the rotor chamber with the arc, as stated in patent claim 2.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning for gjennomføring av denne framgangsmåten som angitt i patentkrav 3. Denne anordningen brukes i et kammer for opptak av et fluidum som skal varmes. Den har et rotorlegeme plassert i kammeret, idet rotorlegemet har et indre rotorkammer med to elektroder for dannelse av en lysbue ved tilførsel av energi til fluidet, hvilke er koblet en elektrisk energikilde. Den ene elektroden er stangformet og plassert generelt vertikalt sentralt i rotorkammeret og den andre er en del av rotorkammerets bunn. Den stangformete elektroden er innrettet for å opprettholde en konstant avstand mellom elektroden, idet elektrodespenningen reguleres på kjent måte. Rotorlegemet er innrettet til gjennomføring av fluidum i rotorkammet fra bunnenden og forbi lysbuen i avstand fra denne og har sideveis åpninger for utslipp av oppvarmet fluidum. The invention also includes a device for carrying out this procedure as stated in patent claim 3. This device is used in a chamber for receiving a fluid to be heated. It has a rotor body placed in the chamber, the rotor body having an inner rotor chamber with two electrodes for forming an arc when supplying energy to the fluid, which are connected to an electrical energy source. One electrode is rod-shaped and placed generally vertically centrally in the rotor chamber and the other is part of the bottom of the rotor chamber. The rod-shaped electrode is designed to maintain a constant distance between the electrodes, the electrode voltage being regulated in a known manner. The rotor body is arranged for the passage of fluid into the rotor cam from the bottom end and past the arc at a distance from this and has lateral openings for discharge of heated fluid.

Med denne anordningen kan en med små endringer utnytte utstyr som er utformet og utprøvd i forbindelse med metallsmelter. With this device, one can, with small changes, utilize equipment that has been designed and tested in connection with metal smelting.

Oppfinnelsen kan benyttes ved fluider som er elektrisk ledende og fluider som er tilnærmet elektrisk isolatorer. I tillegg til metallsmelter er den egnet ved vann, slaggsmelter, saltsmelter, organiske væsker med mer. The invention can be used with fluids that are electrically conductive and fluids that are approximately electrically insulators. In addition to metal melts, it is suitable for water, slag melts, salt melts, organic liquids and more.

I patentkrav 4 - 8 er det angitt fordelaktige detaljer ved oppfinnelsen. Advantageous details of the invention are specified in patent claims 4 - 8.

Eksempel Example

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives med henvisning til tegningene, hvor: The invention shall be described below with reference to the drawings, where:

Figur 1 viser aksialsnitt gjennom en utførelsesform av den sentrale rotordelen av en anordning i samsvar med oppfinnelsen, Figure 1 shows an axial section through an embodiment of the central rotor part of a device in accordance with the invention,

Figur 2 viser er horisontalsnitt gjennom rotordelen i Figur 1, over bunndelen, Figure 2 shows a horizontal section through the rotor part in Figure 1, above the bottom part,

Figur 3 og 4 viser tilsvarende riss for en alternativ utførelsesform som gir pumpeeffekt ved rotasjonen av rotorlegemet 10. Figur 1 viser et sirkelsymmetrisk metallisk rotorlegeme 10 som er båret av en rørformet aksel 11 med felles vertikal akse. Akselen 11 er forbundet med et kjent drivverk og kan være innrettet for heving og senking i forhold til et omgivende kammer (ikke vist). Akselen 11 er hul for tilførsel av gass, væske og/eller partikler, til kammeret som rotoren er opptatt i. Figures 3 and 4 show corresponding drawings for an alternative embodiment which provides a pumping effect during the rotation of the rotor body 10. Figure 1 shows a circularly symmetrical metallic rotor body 10 which is carried by a tubular shaft 11 with a common vertical axis. The shaft 11 is connected to a known drive mechanism and can be arranged for raising and lowering in relation to a surrounding chamber (not shown). The shaft 11 is hollow for the supply of gas, liquid and/or particles to the chamber in which the rotor is occupied.

Rotorlegemet 10 er altså innrettet for plassering i et kammer, for eksempel en smelteovn eller en varmtvannsbereder. I eksemplet har rotorlegemet 10 er indre, konsentrisk kammer 12 som er lukket nedover med en bunnvegg 13. Bunnveggen 13 har et sentralt nav 14 som er omgitt av en ring av aksiale hull 15, i eksemplet seks hull, som er jevnt fordelt rundt omkretsen. The rotor body 10 is thus arranged for placement in a chamber, for example a melting furnace or a water heater. In the example, the rotor body 10 has an inner, concentric chamber 12 which is closed downwards with a bottom wall 13. The bottom wall 13 has a central hub 14 which is surrounded by a ring of axial holes 15, in the example six holes, which are evenly distributed around the circumference.

Hullene 15 kan også være skråttstilt, eventuelt også helisk, for å skape en pumpeeffekt under rotasjon. The holes 15 can also be inclined, optionally also helical, to create a pumping effect during rotation.

I rotorlegemet 10 er det anordnet en sentralt plassert strømførende og rørformet elektrode 16 som. Den rørformete elektroden 16 er opphengt på hensiktsmessig måte sammen med rotorlegemet 10. Den er dessuten opphengt slik at dens høydestilling i forhold til det sentrale navet 14 kan reguleres med hensiktsmessige midler. På denne måten kan avstanden L mellom bunnveggen 13 og elektrodeenden 17 kan holdes konstant. Disse midlene kan omfatte en forskyvningsmekanisme, som for eksempel kan omfatte en lineærmotor, og en styrekrets for aktivering av forskyvningsmekanismen. Dette kan være basert på prinsipielt kjent elektromekanikk og styringsteknologi. In the rotor body 10, a centrally located current-carrying and tubular electrode 16 is arranged which. The tubular electrode 16 is suspended in an appropriate manner together with the rotor body 10. It is also suspended so that its height in relation to the central hub 14 can be regulated by appropriate means. In this way, the distance L between the bottom wall 13 and the electrode end 17 can be kept constant. These means may comprise a displacement mechanism, which may for example comprise a linear motor, and a control circuit for activating the displacement mechanism. This can be based on known electromechanics and control technology in principle.

Elektroden 16 og dens motelektrode rotorlegemet 10 er på kjent måte koblet til hver sin pol av en kraftkilde, enten med likespenning eller vekselspenning. Spenningen kan på kjent måte være regulerbar. Elektroden 16 kan på kjent måte være avkjølt, for eksempel med vann eller en annen kjølevæske. The electrode 16 and its counter electrode the rotor body 10 are connected in a known manner to each pole of a power source, either with direct voltage or alternating voltage. The voltage can be regulated in a known manner. The electrode 16 can be cooled in a known manner, for example with water or another cooling liquid.

I tillegg til åpningene 15 i bunnveggen 13 har rotorlegemets vegger ei rekke sideåpninger 18, i eksemplet åtte fordelt rundt omkretsen. In addition to the openings 15 in the bottom wall 13, the walls of the rotor body have a number of side openings 18, in the example eight distributed around the circumference.

Ved drift av anordningen i samsvar med oppfinnelsen blir fluidet som skal varmes opp hevet til et maksimalnivå over elektrodeenden 17.1 eksemplet er det vist et fluidumnivå 19 som ligger over rotorkammeret. When operating the device in accordance with the invention, the fluid to be heated is raised to a maximum level above the electrode end 17. In the example, a fluid level 19 is shown which lies above the rotor chamber.

Samtidig opprettholdes et gasstrykk inne i rotorkammeret som sammen med sentrifugalkreftene som dannes ved rotasjonen opprettholder et fluidumnivå eller -speil 20 som en rotasjonsparaboloide for i rotorkammeret som holder fritt området 23 over den sentrale delen 14 av bunnveggen og elektrodeenden 19. Rotasjonsparaboloiden sin form er bestemt avfysikalsk-matematiske forhold, og vil ved en gitt geometri være avhengig av omdreiningshastigheten for rotoren, At the same time, a gas pressure is maintained inside the rotor chamber which, together with the centrifugal forces generated by the rotation, maintains a fluid level or mirror 20 as a paraboloid of rotation for in the rotor chamber which keeps free the area 23 above the central part 14 of the bottom wall and the electrode end 19. The shape of the paraboloid of rotation is determined physically -mathematical conditions, and for a given geometry will depend on the rotational speed of the rotor,

Kombinert med opprettholdelsen av en konstant elektrodeavstand L blir det tilrettelagt for dannelsen av en lysbue som kan reguleres for å avgi en valgt effekt, uavhengig av fluidet. Lysbuen kan startes ved at den stavformete elektroden 18 føres mot kortslutning, slik at lysbuen tennes. Den trekkes deretter ut til forutbestemt avstand og holdes der under drift. Combined with the maintenance of a constant electrode distance L, it is facilitated for the formation of an arc which can be regulated to emit a selected effect, regardless of the fluid. The arc can be started by moving the rod-shaped electrode 18 towards a short circuit, so that the arc is ignited. It is then pulled out to a predetermined distance and held there during operation.

For hver restart blir elektodeavstanden gjeninnstilt på sin faste avstand. For each restart, the electrocode distance is reset to its fixed distance.

Effekten som avgis kan på kjent måte reguleres ved å regulere spenningen over elektrodene, det vil si den sentrale elektroden 16 og det metalliske rotorlegemet 10. Effektoverføringen styres videre gjennom styring av gjennomstrømningen av fluidum gjennom rotoren. The power emitted can be regulated in a known manner by regulating the voltage across the electrodes, i.e. the central electrode 16 and the metallic rotor body 10. The power transmission is further controlled by controlling the flow of fluid through the rotor.

Det er også mulig å påvirke effektoverføringen ved å endre speilet 20 gjennom regulering av rotorhastigheten. Dette kan samtidig påvirke gjennompumpingen. It is also possible to influence the power transmission by changing the mirror 20 through regulation of the rotor speed. This can also affect the pumping through.

Oppfinnelsen kan utnyttes for oppvarming av forskjellige fluider, forholdsvis uavhengig av konsistens og uavhengig av ledningsevne. I tillegg til metallsmelter kan den brukes for oppvarming av vann, organiske væsker, slaggsmelter, saltsmelter, gasser og suspensjoner med væsker og pulver. The invention can be used for heating different fluids, relatively independent of consistency and independent of conductivity. In addition to metal melts, it can be used for heating water, organic liquids, slag melts, salt melts, gases and suspensions with liquids and powders.

Den rørformete elektroden kan brukes for tilsetning av gass og/eller pulver til fluidet som blir oppvarmet. The tubular electrode can be used for adding gas and/or powder to the fluid being heated.

I Figur 3 og 4 er det vist en alternativ utførelsesform hvor de aksiale hullene 15 i rotorbunnen 13 er byttet ut med en struktur med et par skråttstilte vinger 21. 22. Vingene 21, 22 danner ved drift av rotoren en pumpeeffekt for transport av fluidum inn i rotorkammeret 12, gjennom åpninger 23, 24 ved sida av vingene. På den måten økes rotorhastigheten sin betydning for regulering av effektoverføringen. Figures 3 and 4 show an alternative embodiment where the axial holes 15 in the rotor base 13 have been replaced by a structure with a pair of inclined wings 21. 22. The wings 21, 22 form a pumping effect during operation of the rotor for transporting fluid into in the rotor chamber 12, through openings 23, 24 at the side of the wings. In this way, the importance of the rotor speed for regulating the power transmission is increased.

Claims

1. Method for heating a fluid, in particular a fluid that lacks electrical conductivity, where a rotor body (10), which is arranged in a chamber for receiving the fluid, is set in rotation with a generally vertical shaft (11), as the fluid is passed through the rotor chamber (12), characterized in that voltage is applied between a rod-shaped electrode (16) which is arranged centrally in a rotor chamber (12) and an electrode at the bottom of the rotor chamber (13), to create an arc whose length (L) is generally kept constant by regulating the position of the rod-shaped electrode (16) and where the fluid under the influence of the centrifugal force is kept outside the arc.

2. Method in accordance with patent claim 1, characterized in that the fluid is pumped axially into the rotor chamber (12).

3. Device for carrying out the procedure stated in patent claim 1, with a chamber for receiving a fluid to be heated, and with a rotor body (10) placed in the chamber, the rotor body having an inner rotor chamber (12) with two electrodes (14, 16) for the formation of an arc by supplying energy to the fluid, to which an electrical energy source is connected, the one electrode (16) being rod-shaped and placed generally vertically centrally in the rotor chamber (12), where the rotor body (10) is arranged for passage of fluid in the rotor chamber (12) past the arc at a distance from it, and where the rotor body has an opening (18) for the discharge of heated fluid, characterized in that the second electrode (14) is rotationally symmetrical and is a central part of the bottom of the rotor chamber ( 13), - that the rod-shaped electrode (16) is designed to maintain a generally stable, preferably constant distance between the electrodes, and that it has at least two openings (18) in the lower part of the rotor chamber (12), for discharge of heated fluid.

4. Device in accordance with patent claim 3, characterized in that the shaft (11) which carries the rotor body (10) has an opening towards the rotor chamber, and is arranged for discharge of fluid.

5. Device in accordance with patent claim 3, characterized in that the bottom of the rotor body (13) has a ring of axial holes (15).

6. Device in accordance with patent claim 5, characterized in that at least one inclined vane (21, 22) is arranged in the bottom of the rotor body which, when rotated, has a pumping effect into the rotor chamber (12).

7. Device in accordance with patent claim 4, characterized in that the bottom of the rotor chamber (12) is closed and that the supply and removal of the fluid takes place through the shaft which carries the rotor chamber.

8. Device in accordance with patent claim 3, characterized in that an electrode insert (14) is arranged at the bottom of the rotor chamber.