BR0302056B1 - método para estabelecer pelo menos um jato de gás coerente, e, lança de jato coerente. - Google Patents
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Description
"MÉTODO PARA ESTABELECER PELO MENOS UM JAlO DE GÁSCOERENTE, E5 LANÇA DE JATO COERENTE"Campo técnico
Esta invenção refere-se em geral à tecnologia de jato coerente.
Arte anterior
Um recente avanço significativo no campo de lançamento degases é o desenvolvimento da tecnologia de jato coerente descrita, porexemplo, na Patente U.S. 5.814.125 - Anderson et al. e na Patente U.S.6.171.544 - Anderson et al. Na prática desta tecnologia um ou mais jatos degás de alta velocidade ejetados de um ou mais bocais sobre uma lança sãomantidos coerentes sobre uma distância relativamente longa pelo uso de umenvelope de chama ao redor e ao longo do(s) jato(s) de gás de alta velocidade.O envelope de chama é formado pela combustão de combustível e oxidanteejetados da lança respectivamente de dois anéis de portas, um anel interno eum anel externo, ao redor do(s) bocal(ais) de jato de gás de alta velocidade.Tipicamente o combustível para o envelope de chama é ejetado do anelinterno das portas e o oxidante para o envelope de chama é ejetado do anelexterno das portas. Uma extensão sobre o perímetro da lança forma uma zonade recirculação protegida para dentro da qual o(s) jato(s) de gás de altavelocidade e os fluidos de envelope de chama são proporcionados do(s)bocal(ais) e porta(s). Esta zona de recirculação permite alguma recirculaçãodos fluidos ejetados permitindo ignição melhorada e estabilidade melhoradado envelope de chama, aumentando assim a coerência e por conseguinte ocomprimento do(s) jato(s) de gás de alta velocidade. 0(s) jato(s) coerente(s)pode(m) ser usado(s) para fornecer gás para dentro de um líquido, tal comometal fundido, de uma distância relativamente longa acima da superfície dolíquido. Uma aplicação muito importante desta tecnologia de jato coerente épara a provisão de oxigênio para utilização em operações de fabricação de açotais como fornos de arco elétrico e fomos de oxigênio básicos.A extensão da recirculação, embora constitua uma melhoriasobre os sistemas de jato coerente anteriores, introduz certos problemasreferentes ao projeto da lança e ao tempo de vida da lança devido ànecessidade de esfriar a ponta com água. Estes problemas são de preocupação particular quando o sistema de jato coerente é usado em um ambiente muitoagressivo tal como um forno de oxigênio básico.
Conseqüentemente, um objetivo desta invenção é a provisãode um sistema que pode produzir jatos de gás coerentes efetivos sem anecessidade de uma extensão da lança ou de outro elemento para estabelecer uma zona de recirculação para os gases ejetados da lança.
Sumário da invenção
O objetivo acima e outros objetivos, que se tornarão evidentespara aquelas pessoas experientes na arte durante uma leitura desta descrição,são alcançados pela presente invenção, cujo um aspecto é: Um método para estabelecer pelo menos um jato de gáscoerente compreendendo as etapas de:
(A) ejetar pelo menos um jato de gás de pelo menos um bocalalojado em uma lança possuindo uma face de lança, a citada face de lançapossuindo um anel de portas ao redor do citado pelo menos um bocal; (B) ejetar combustível de um primeiro conjunto de portas docitado anel e ejetar oxidante de um segundo conjunto de portas do citadoanel; e
(C) comburir o combustível e o oxidante ejetados dos primeiroe segundo conjuntos de portas do citado anel para produzir um envelope de chama ao redor do citado pelo menos um jato de gás.
Outro aspecto da invenção é:Uma lança de jato coerente compreendendo:(A) uma lança possuindo uma face de lança e possuindo pelomenos um bocal possuindo uma abertura na face de lança;(B) um anel de portas sobre a face de lança ao redor da(s)abertura(s) do bocal; e
(C) meio para proporcionar combustível a um primeiroconjunto de portas do citado anel e meio para proporcionar oxidante a umsegundo conjunto de portas do citado anel.
Como aqui usado o termo "face de lança" significa a superfíciede uma lança confinando um volume de injeção.
Como aqui usado o termo "jato coerente" significa um jato degás que é formado pela ejeção de gás de um bocal e que possui um perfil demomento e velocidade ao longo de um comprimento de pelo menos 20d, onded é o diâmetro de saída do bocal, que é semelhante ao seu perfil de momentoe velocidade durante a ejeção do bocal. Outro modo de descrever um jatocoerente é um jato de gás que possui pouca ou nenhuma mudança em seudiâmetro por uma distância de pelo menos 20d.
Como aqui usado, o termo "comprimento" quando se referir aum jato de gás coerente significa a distância do bocal do qual o gás é ejetadoaté o ponto de impacto intencionado do jato de gás coerente ou até onde o jatode gás cessa de ser coerente.Breve descrição dos desenhos
Figura 1 é uma vista de frente de uma modalidade preferida deuma face de lança e a Figura 2 é uma vista seccional transversal de umamodalidade preferida de uma lança possuindo tal face de lança que pode serusada na prática desta invenção.
Figura 3 ilustra a modalidade da invenção ilustrada nas Figuras1 e 2 em operação. Os números nos desenhos são iguais para elementoscomuns.
Descrição detalhada
A invenção será descrita em detalhe com referência aosdesenhos.Referindo-se agora às Figuras 1, 2 e 3, gás como mostradopela seta de fluxo 1, é passado através de pelo menos um bocal 2,preferivelmente um bocal convergente/divergente, e depois sai da lança 3através da abertura ou das aberturas 4 do bocal sobre a face da lança 6 paraformar uma corrente ou correntes de jato de gás coerente 5 no volume deinjeção 7. Tipicamente, a velocidade da(s) corrente(s) de gás 5 está dentro dafaixa de 213 a 914 metros por segundo (m/s). Preferivelmente a velocidadeda(s) corrente(s) de gás 5 será supersônica quando for formada durante aejeção da face da lança e permanecerá supersônica por uma distância de pelomenos 20d. Embora os desenhos ilustrem uma modalidade empregandoquatro jatos de gás coerentes ejetados da lança respectivamente através dequatro bocais, o número de jatos de gás ejetados da lança através dosrespectivos bocais na prática desta invenção pode estar dentro da faixa de 1 a6. Preferivelmente o volume de injeção para dentro do qual os jatos de gáscoerentes são injetados é um forno de produção de metal tal como um fornode fabricação de aço. Mais preferivelmente, quando uma pluralidade debocais for empregada, cada bocal estará angulado para longe um do outro e doeixo central da lança.
Qualquer gás efetivo pode ser utilizado como o gás para aformação de jato ou jatos coerentes na prática desta invenção. Dentre taisgases podem ser citados oxigênio, nitrogênio, argônio, dióxido de carbono,hidrogênio, hélio, vapor de água e gases de hidrocarboneto. Também misturascompreendendo dois ou mais gases, por exemplo ar, podem ser empregadascomo tal gás na prática desta invenção.
Um anel 20 de portas está localizado sobre a face da lança aoredor da abertura ou aberturas 4. Anel 20 é preferivelmente um círculopossuindo um diâmetro dentro da faixa de 3,8 a 40,6 centímetros. Em geral oanel 20 compreenderá de 12 a 48 portas. Cada porta é preferivelmente umcírculo possuindo um diâmetro dentro da faixa de 0,13 a 1,3 centímetros.Mais preferivelmente, como ilustrado nos desenhos, o anel dé portas está emum recesso ou sulco 21 sobre a face da lança 6. Tipicamente o recesso 21possui uma profundidade dentro da faixa de 0,13 a 5,1 centímetros e umalargura dentro da faixa de 0,13 a 1,3 centímetros.
Combustível é proporcionado a um primeiro conjunto deportas 22 sobre o anel 20 e oxidante é proporcionado a um segundo conjuntode portas 23 sobre o anel 20. Preferivelmente, como ilustrado na Figura 1, oprimeiro conjunto de portas 22 alterna com o segundo conjunto de portas 23sobre o anel 20 de modo que cada porta de combustível 22 possui duas portasde oxidante 23 adjacentes sobre qualquer lado daquela porta de combustível, ecada porta de oxidante 23 possui duas portas de combustível 22 adjacentessobre qualquer lado daquela porta de oxidante. O combustível e o oxidantesão ejetados da lança 3 de suas respectivas portas para dentro do volume deejeção 7. A velocidade do combustível e do oxidante ejetados do anel daspartes pode ser subsônica mas preferivelmente é velocidade sônica. Avelocidade sônica do combustível e do oxidante injetados aumenta a rejeiçãode entrada de matéria estranha e o entupimento das portas, o que éespecialmente importante quando a invenção for empregada em um ambienteagressivo tal como em um forno de fabricação de aço. Se desejado, avelocidade dos combustível e oxidante injetados pode ser supersônica em umavelocidade maior do que Mach 1 a até Mach 2.
O combustível ejetado das portas 22 é preferivelmente gasosoe pode ser qualquer combustível tal como metano ou gás natural. O oxidanteejetado das portas 23 pode ser ar, ar enriquecido de oxigênio possuindo umaconcentração de oxigênio maior do que a do ar, ou oxigênio comercialpossuindo uma concentração de oxigênio de pelo menos 90 por cento em mol.Preferivelmente o oxidante é um fluido possuindo uma concentração deoxigênio de pelo menos 25 por cento em mol.
Os combustível e oxidante ejetados da lança formam umenvelope de gás ao redor do(s) jato(s) de gás 5 que combure para formar unienvelope de chama ou bainha de chama 24 ao redor do(s) jato(s) de gás 5dentro do volume de injeção tal como um forno de metal fundido. Envelopede chama 24 ao redor das correntes de gás 5 serve para evitar que o ambientegasoso seja sugado para dentro das correntes de gás, evitando deste modo quea velocidade das correntes de gás diminua significativamente e que odiâmetro das correntes de gás aumente significativamente, por pelo menosuma distância de 20d da respectiva saída do bocal. Isto é, o envelope dechama ou a bainha de chama 24 serve para estabelecer e manter as correntesde gás 5 como jatos coerentes por uma distância de pelo menos 20d darespectiva saída do bocal.
Uma vantagem significativa desta invenção é a capacidade deformar jatos de gás coerentes efetivos de uma lança sem a necessidade deempregar uma extensão sobre a lança. Até agora, uma extensão da lança temsido usada para formar uma zona de recirculação protegida adjacente à faceda lança para melhorar a ignição e a combustão dos gases da bainha de chamaque são injetados para dentro desta zona de recirculação protegida,melhorando por conseguinte a coerência dos jatos de gás. Embora o uso deuma tal extensão de lança seja uma melhoria significativa sobre a prática dejato de gás coerente inicial, há problemas com o uso de uma tal extensão. Naprática desta invenção, os gases ejetados da lança são passados diretamentepara dentro do volume de injeção sem passarem através de uma zonaprotegida ou zona de recirculação formada por uma extensão de lança,ademais a coerência melhorada observada com o emprego de uma extensãode lança é ainda assim obtida.
Testes foram conduzidos para avaliar a efetividade dainvenção usando numerosos projetos para o fornecimento de gás de bainha dechama. O combustível utilizado nos testes foi gás natural e o oxidanteempregado nos testes tinha uma concentração de oxigênio de 99 por cento emmol e é referido como o oxigênio secundário. Em cada teste a lança tinhaquatro bocais para a provisão de jatos de gás. O gás para os jatos de gás foioxigênio possuindo uma pureza de 99 por cento em mol e é referido como ooxigênio principal. Os testes são relatados abaixo e são apresentados parapropósitos ilustrativos e não são intencionados para serem limitantes.
Os testes foram realizados para avaliar a efetividade dainvenção em para melhor compreender o papel do espaço das portas deoxidante e de gás natural (NG). Os testes foram conduzidos mantendo-seconstante o número total de portas de bainha em 16 (8 NG e 8 oxidante) aomesmo tempo variando-se o espaço das portas pela modificação do diâmetrodo círculo da porta. O diâmetro do círculo do bocal principal foi mantidoconstante. Sulcos anulares foram testados para aumentar a estabilização dachama. Abaixo, a razão land (LR) é definida como o espaço entre osperímetros das portas (Land) dividido pela soma dos raios das portas, LR =Land/(RSo + Rng)· Em cada teste o combustível e o oxidante foramproporcionados através de portas alternadas sobre o único anel de portas aoredor dos bocais.
Projetos de inietor:
- Injetor no. 1 foi um projeto de 16 portas no total. O diâmetrodo círculo foi de 5,398 centímetros. A razão land, LR = 0,67 (1,7 cm).
- Injetor no. 2 foi um projeto de 16 portas no total. O diâmetrodo círculo foi de 8,26 centímetros. A razão land, LR = 1,56 (3,96 cm).
- Injetor no. 3 foi um projeto de 16 portas no total. O diâmetrodo círculo foi de 10,80 centímetros. A razão land, LR = 2,34 (5,94 cm).
Condições:
- Oxigênio principal = 1.132,7 metros cúbicos por hora (m3/h)padrão (pressão de fornecimento de 1.137,6 kPa (relativa)).
- Bocais principais = diâmetro de saída-para-garganta de 0,97cm/0,66 cm, angulado a 12°.- Velocidade de NG = 204 m/s (@ 141,6 m3/h).
- Velocidade de oxigênio secundário = 97,5 m/s (@ 113,3m3/h).
- Sem extensão de recirculação.
- Sulcos = 0,714 cm de largura χ 0,64 cm de profundidade.
Injetor no. 1: Para um fluxo de NG constante de 141,6 m3/h,
foram obtidos excelentes jatos coerentes, tipicamente de 51 cm, que excedemo comprimento do projeto convencional de dois anéis. A chama foi estávelsobre uma ampla faixa de condições. Este injetor não foi testado com umsulco anular.
Injetor no. 2: Sem um sulco, o comprimento do jato coerentediminuiu ligeiramente comparado com o do injetor no. 1. Quando um sulcofoi adicionado, o comprimento do jato coerente melhorou e excedeu osresultados obtidos com o injetor no. 1.
Injetor no. 3: Sem um sulco, o comprimento do jato coerentefoi substancialmente mais curto. A chama foi operada em um modolevantado, o que causou os jatos coerentes mais curtos. Adição de um sulcoestabilizou a bainha, o que resultou em uma total recuperação docomprimento do jato coerente.
Com o objetivo da possível eliminação do bloqueio da porta debainha em um forno de oxigênio básico, testes foram realizados para observarse as portas podem ser operadas em condições de fluxo sônico. Váriosprojetos de único anel foram testados. As portas de gás natural e de oxigêniosecundário foram dimensionadas para serem operadas em Mach 1 quando asvazões de fluxo de gás natural e de oxigênio secundário foram de 141,6 m3/he 113,3 m3/h, respectivamente. Sulcos anulares de profundidades diferentesforam adicionados para estabilizar a bainha de chama.
Projetos de injetor:
- Injetor no. 4 foi um projeto de único anel com 32 portas nototal. Os diâmetros das portas de oxigênio secundário e de NG foram de 0,25cm. O diâmetro do anel = 5,1 centímetros e LR = 2,44 centímetros.
- Injetor no. 5 foi um projeto de único anel com 24 portas nototal. Os diâmetros das portas de oxigênio secundário e de NG foram de 0,292
cm. O diâmetro do anel = 5,1 centímetros e LR = 3,25 centímetros.
- Injetor no. 6 foi um projeto de único anel com 16 portas nototal. Os diâmetros das portas de oxigênio secundário e de NG foram de 0,358cm. O diâmetro do anel = 5,1 centímetros e LR = 4,55 centímetros.
- Injetor no. 7 foi um projeto de único anel com 32 portas nototal. Os diâmetros das portas de oxigênio secundário e de NG foram de 0,25cm. O diâmetro do anel = 6,99 centímetros e LR = 4,32 centímetros.Condições:
- Oxigênio principal = 1.132,7 metros cúbicos por hora (m3/h)padrão (pressão de fornecimento de 1.137,6 kPa (relativa)).
- Bocais = diâmetro de saída-para-garganta de 0,97 cm/0,66cm, angulado a 12 graus.
- Velocidade de NG = 415,7 m/s (Mach 1) (@ 141,6 m^3/h).
- Velocidade de oxigênio secundário = 299 m/s (Mach 1) (@113,3 m3/h).
- Sem extensão.
- Tamanho do sulco = Variado (largura χ profundidade).Injetor no. 4: Sem um sulco, o comprimento do jato coerentefoi insatisfatório, o que resultou em chama separada. Bons jatos coerentesforam obtidos para os sulcos l,25Dxl,25D e l,25Dx2D. [Notação do sulco =largura χ profundidade; D = diâmetro da porta].
Injetor no. 5 = Sem o sulco, a lança foi difícil de ver (instável).Bons jatos coerentes foram obtidos para os sulcos IDxlD, lDxl,5D e1Dx2D.
Injetor no. 6 = Sem o sulco, a lança foi muito difícil de ver; oscomprimentos do jato coerente foram essencialmente os valores sem bainha.O sulco estabilizou a combustão da bainha; contudo, jator coerentesrelativamente insatisfatórios foram obtidos até mesmo com um sulcorazoavelmente profundo 1Dx2D.
Injetor no. 7: Sem o sulco, foram obtidos jatos coerentesinsatisfatórios. Bons jatos coerentes foram obtidos com um sulcol,25Dxl,25D.
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe comreferência a certas modalidades preferidas, aquelas pessoas experientes na artereconhecerão que há outras modalidades da invenção dentro do espírito e doescopo das reivindicações.
Claims (10)
1. Método para estabelecer pelo menos um jato de gáscoerente, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:(A) ejetar pelo menos um jato de gás de pelo menos um bocalalojado em uma lança possuindo uma face de lança, a citada face de lançapossuindo um anel de portas ao redor do citado pelo menos um bocal;(B) ejetar combustível de um primeiro conjunto deportas docitado anel e ejetar oxidante de um segundo conjunto de portas do citadoanel; e(C) comburir o combustível e o oxidante ejetados dos primeiroe segundo conjuntos de portas do citado anel para produzir um envelope dechama ao redor do citado pelo menos um jato de gás.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que uma pluralidade de jatos de gás é ejetada da lança.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o combustível e o oxidante são ejetados do primeiro conjunto deportas e do segundo conjunto de portas respectivamente que se alternam sobreo anel de portas.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o citado pelo menos um jato de gás e o combustível e o oxidantesão ejetados da lança diretamente para dentro de um volume de injeção sempassarem através de uma zona de recirculação formada por uma extensãosobre a lança.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o citado pelo menos um jato de gás percorre uma distância de pelomenos 20d, onde d é o diâmetro de saída do bocal do qual o citado jato de gásé ejetado, mantendo ao mesmo tempo substancialmente constante o diâmetrodo citado jato de gás.
6. Lança de jato coerente, caracterizada pelo fato decompreender:(A) uma lança possuindo uma face de lança e possuindo pelomenos um bocal possuindo uma abertura na face de lança;(B) um anel de portas sobre a face de lança ao redor da(s)abertura(s) do bocal; e(C) meio para proporcionar combustível a um primeiroconjunto de portas do citado anel e meio para proporcionar oxidante a umsegundo conjunto de portas do citado anel.
7. Lança de jato coerente de acordo com a reivindicação 6,caracterizada pelo fato de possuir uma pluralidade de bocais.
8. Lança de jato coerente de acordo com a reivindicação 6,caracterizada pelo fato de que o anel de portas está dentro de um recessosobre a face da lança.
9. Lança de jato coerente de acordo com a reivindicação 6,caracterizada pelo fato de que o primeiro conjunto de portas alterna com osegundo conjunto de portas.
10. Lança de jato coerente de acordo com a reivindicação 6,caracterizada pelo fato de não possuir extensão para formar uma zona derecirculação adjacente à face de lança.
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