BR102021009894A2

BR102021009894A2 - Queimador de oxicombustível para túneis de vidro

Info

Publication number: BR102021009894A2
Application number: BR102021009894-5A
Authority: BR
Inventors: Mark Daniel D'agostini; Michael J. Gallagher; Ashwin Vinod
Original assignee: Air Products And Chemicals, Inc.
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2021-12-07
Also published as: TW202200934A; HUE062653T2; EP3919814A1; ES2950842T3; CA3119340C; US11598520B2; TWI780717B; KR102516636B1; KR20210146804A; PL3919814T3; CN113739155A; CN113739155B; EP3919814B1; US20210372611A1; CA3119340A1; MX2021005940A

Abstract

queimador de oxicombustível para túneis de vidro. a presente invenção refere-se a um aparelho de alimentação de gás de queimador para aumentar a turbulência de chama, em que o aparelho compreende um conduíte que tem uma largura característica, w, definida por uma superfície interna que tem uma direção circunferencial e uma direção axial, em que a direção axial termina em um bocal que define um plano de saída de bocal e que tem uma dimensão característica, d, em que d <= w; e três corpos rombudos, cada um com uma dimensão característica, dbb-i, que se projeta em um comprimento, li, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, e um espaçamento axial xi entre corpos rombudos adjacentes (ente o corpo rombudo a jusante e o plano de saída de bocal no caso de x1) em que 0,5 <= li/w <= 1 e em que xi/dbb-i <= 30.

Description

QUEIMADOR DE OXICOMBUSTÍVEL PARA TÚNEIS DE VIDRO

ANTECEDENTES

[0001] Um projeto eficaz de um queimador de combustível exige controle de propriedades de chama, mais particularmente o comprimento da chama. Um conhecimento preciso sobre o comprimento da chama é particularmente importante, já que muitos queimadores são instalados em câmaras de combustão que não permitem nenhum acesso visual para verificar as propriedades de chama durante a operação. Embora orientações de engenharia e experimentação sejam úteis para prever o comprimento da chama com base no projeto do queimador e da câmara de combustão e em parâmetros operacionais, sabe-se que a previsão e o controle do comprimento da chama são mais confiáveis para chamas turbulentas do que para chamas laminares. Embora muitos fatores possam influenciar o ponto de transição de uma chama laminar para uma chama turbulenta, um Número de Reynolds adimensional, Rej, com base nas propriedades do fluxo e nas propriedades geométricas do jato central do queimador é convencionalmente usado. Isso é definido como a seguir na equação 1:
Rej = ρVjDj/µ (1)

[0002] em que ρ é a densidade do jato central no plano de saída de bocal; V é a velocidade média de saída de bocal do jato central, D é o diâmetro do bocal e µ é a viscosidade dinâmica do jato central, novamente determinada por condições no plano de saída de bocal.

[0003] Como mencionado em um artigo pioneiro de Hawthorne et al (“Mixing and Combustion in Turbulent Gas Jets”, Third Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena, pp. 266-288, 1949.), a resposta caracteristicamente diferente de comprimento da chama à taxa de fluxo de gás em fluxos laminares e turbulentos é baseada na diferença inerente entre difusividade molecular e turbulenta. A misturação em uma chama laminar é orientada por difusividade molecular, uma propriedade de material dos gases sendo misturados, enquanto a misturação em chamas turbulentas é orientada por "turbilhonamentos" turbulentos. Diferentemente da difusividade molecular, a denominada difusividade turbulenta não é uma propriedade de material, porém escala como produto de velocidade de jato de chama e diâmetro de plano de saída de bocal. O efeito resultante do comprimento da chama associado a esses modos diferentes de misturação está resumido na Figura 1. Ou seja, o comprimento normalizado, L/D (L é comprimento da chama e D é diâmetro de plano de saída de bocal), de uma chama de jato laminar aumenta com a taxa de fluxo de bocal, enquanto aquele de uma chama turbulenta de jato permanece constante.

[0004] Fica adicionalmente evidente na Figura 1 que o comprimento máximo de uma chama laminar pode ser substancialmente mais longo do que aquele de uma chama totalmente turbulenta. Desse modo, embora uma chama possa ser projetada principalmente para operação turbulenta, é possível que uma operação de fluxo reduzido fora do projeto resulte em uma chama mais longa do que desejável que pode atingir paredes de extremidades do combustor e, assim, resultar em falha prematura de materiais estruturais e de isolamento de parede ou de superfícies de transferência de calor.

[0005] Finalmente, nas aplicações de combustão mais práticas, o ambiente interno do forno geralmente não é quiescente. Chamas laminares longas tendem a ser relativamente difíceis de controlar nessas situações, já que grande parte da corrente de combustível permanece não reagida, enquanto seu momentum é dissipado. Em contraste, a chama turbulenta de jato se mistura rapidamente e a estabilidade do jato de chama se beneficia, desse modo, da velocidade elevada dos gases quentes em expansão. Consequentemente, as chamas laminares são muito mais propensas à deflexão por correntes de gás de forno e combustão incompleta do que chamas turbulentas, e essas deficiências frequentemente resultam em insuficiências operacionais ou de desempenho relacionadas à transferência de calor de chama-para-carga mal direcionada e/ou reduzida e redução da eficácia de combustível de processo.

SUMÁRIO

[0006] Um queimador é descrito no presente documento como compreendendo pelo menos dois corpos rombudos no conduíte de alimentação de gás de queimador em diferentes posições axiais a montante do plano de saída. O uso de múltiplos corpos rombudos facilita a difusão de turbulência por iniciação de turbilhonamentos em múltiplos locais no campo de fluxo, enquanto o espaçamento longitudinal promove uma amplificação de efeitos turbulentos que emanam de cada corpo rombudo a montante por meio de interações de campo de fluxo.

[0007] Cada corpo rombudo pode ser introduzido a partir de uma posição circunferencial diferente ao redor da superfície interna do conduíte de alimentação de gás. Essa orientação gera vorticidade de turbilhonamento que tem eixos geométricos distintos (já que a vorticidade é uma quantidade de vetor) que resulta subsequentemente em uma distribuição mais eficaz de turbulência através do campo de fluxo.

[0008] Aspecto 1: Um aparelho de alimentação de gás de queimador para aumentar a turbulência de chama, em que o aparelho compreende um conduíte que tem uma largura característica, W, definida por uma superfície interna que tem uma direção circunferencial e uma direção axial, em que a direção axial termina em um bocal que define um plano de saída de bocal que tem uma dimensão característica, d, em que d <= W; e um primeiro corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-1, que se projeta em um comprimento, L1, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L1/W <= 1, sendo que o primeiro corpo rombudo é distanciado do plano de saída de bocal por uma distância axial de X1, em que X1/Dbb-1 <= 30; e um segundo corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-2, que se projeta em um comprimento, L2, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L2/W <= 1, sendo que o segundo corpo rombudo está mais distante do plano de saída de bocal do que o primeiro corpo rombudo e distanciado do primeiro corpo rombudo por uma distância axial de X2, em que X2/Dbb-2 <= 30; e um terceiro corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-3, que se projeta em um comprimento, L3, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L3/W <= 1, sendo que o terceiro corpo rombudo está mais distante do plano de saída de bocal do que o segundo corpo rombudo e distanciado do segundo corpo rombudo por uma distância axial de X3, em que X3/Dbb-3 <= 30; em que o primeiro corpo rombudo e o segundo corpo rombudo são separados na direção circunferencial por um primeiro ângulo de espaçamento; e em que o segundo corpo rombudo e o terceiro corpo rombudo são separados na direção circunferencial por um segundo ângulo de espaçamento.

[0009] Aspecto 2: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com o Aspecto 1, em que 0,5 * (1 + d/W) <= L1/W <= 1; em que 0,5 * (1 + d/W) <= L2/W <= 1; e em que 0,5 * (1 + d/W) <= L3/W <= 1.

[0010] Aspecto 3: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com o Aspecto 1 ou Aspecto 2, em que 0,8 <= L1/W <= 1; em que 0,8 <= L2/W <= 1; e em que 0,8 <= L3/W <= 1.

[0011] Aspecto 4: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 3, em que 0,6 <= d/W <= 0,7.

[0012] Aspecto 5: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 4, em que X1/Dbb-1 <= 5; em que X2/Dbb-2 <= 5; e em que X3/Dbb-3 <= 5.

[0013] Aspecto 6: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 5, em que o primeiro corpo rombudo e o conduíte são dimensionados para que um número de Reynolds do primeiro corpo rombudo, Rebb-1 = ρVentradaDbb1/µ, seja igual ou maior que 50; e em que a dimensão característica de bocal, d, é dimensionada para que um número de Reynolds do jato, Rej = ρVjd/µ, seja igual ou maior que o número de Reynolds do primeiro corpo rombudo, Rebb-1.

[0014] Aspecto 7: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 6, em que o primeiro corpo rombudo tem um corte transversal circular.

[0015] Aspecto 8: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 7, em que o primeiro ângulo de espaçamento e o segundo ângulo de espaçamento são, cada um, maiores que 60 graus e menores que 180 graus.

[0016] Aspecto 9: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 8, em que o primeiro ângulo de espaçamento e o segundo ângulo de espaçamento são, cada um, de 110 graus a 130 graus.

[0017] Aspecto 10: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 9, em que o primeiro ângulo de espaçamento e o segundo ângulo de espaçamento são, cada um, de 80 graus a 100 graus.

[0018] Aspecto 11: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 10, que compreende adicionalmente um quarto corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-4, que se projeta em um comprimento, L4, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L4/W <= 1, sendo que o quarto corpo rombudo é mais distante do plano de saída de bocal do que o terceiro corpo rombudo e distanciado do terceiro corpo rombudo por uma distância axial de X4, em que X4/Dbb-4 <= 30; em que o terceiro corpo rombudo e o quarto corpo rombudo são separados na direção circunferencial por um terceiro ângulo de espaçamento.

[0019] Aspecto 12: Um aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com o Aspecto 11, em que o terceiro ângulo de espaçamento é de 80 graus a 100 graus.

[0020] Aspecto 13: Um queimador que compreende um aparelho de alimentação de gás de queimador como definido em qualquer um dos Aspectos 1 a 12; e um conduíte de reagente que circunda o aparelho de alimentação de gás de queimador; em que o aparelho de alimentação de gás de queimador é configurado e disposto para fornecer um dentre um combustível e um oxidante; e em que o conduíte de reagente é configurado e disposto para fornecer outro dentre um combustível e um oxidante.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0021] A presente invenção será, doravante, descrita em combinação com as figuras anexas, em que números similares representam elementos similares:

[0022] A Figura 1 é uma plotagem de altura de chama como uma função de velocidade de jato, reproduzida de Hottel e Hawthorne (“Diffusion in Laminar Jet Flames”, Third Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena, pp. 254-266, 1949).

[0023] As Figuras 2A e 2B são imagens sombreadas que mostram modelos de fluidodinâmica computacional de comportamento de chama laminar em um túnel de oxicombustível em que cores mais claras indicam temperaturas mais altas: A Figura 2A mostra a flexão de chamas laminares de oxicombustível devido a fluxo cruzado de gás de forno na extremidade externa imediatamente a montante da porta de escape do túnel, em que G mostra a direção de fluxo de gás de forno; A Figura 2B mostra impacto de chama laminar na parede oposta em uma extremidade a montante do túnel.

[0024] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de extremidade esquemática de uma ponta de queimador exemplificativa com múltiplos bocais pequenos de diâmetro d para criar jatos de alta velocidade e aumentar a área de superfície para melhorar a interação turbulenta com outros gases no forno ou saindo do queimador.

[0025] A Figura 4 é uma vista em perspectiva de extremidade esquemática de uma ponta de queimador que tem um único bocal de diâmetro D para produzir a mesma área de corte transversal geral que os múltiplos bocais na Figura 3, porém com um único jato em repouso.

[0026] A Figura 5 é uma plotagem de número de Reynolds e queda de pressão como uma função do diâmetro de orifício em uma ponta de queimador com múltiplos bocais como na Figura 3.

[0027] A Figura 6 é uma vista de extremidade esquemática que mostra a aplicação de uma ponta de queimador com múltiplos bocais como na Figura 3 para combustão de oxicombustível, em que o combustível F flui através da ponta de queimador com múltiplos bocais circundada por um espaço anular de fluxo de oxigênio O, e a combustão de oxicombustível ocorre entre jatos de combustível levando a altas temperaturas na superfície da face de bocal NF.

[0028] A Figura 7 é uma vista esquemática em perspectiva que mostra as estruturas de fluxo qualitativas que se formam devido ao fluxo que passa por um cilindro circular truncado.

[0029] As Figuras 8A e 8B são vistas esquemáticas que mostram uma modalidade de um conduíte de alimentação de gás de queimador com dois corpos rombudos que se projetam a partir da parede interna para o trajeto de fluxo do gás a montante do plano de saída (no lado esquerdo da Figura 8A): A Figura 8A é uma vista lateral de corte transversal; A Figura 8B é uma vista de extremidade.

[0030] As Figuras 9A e 9B são vistas esquemáticas que mostram uma modalidade de um conduíte de alimentação de gás de queimador com quatro corpos rombudos que se projetam a partir da parede interna para o trajeto de fluxo do gás, em que cada corpo rombudo adjacente é girado a 90° ao longo da circunferência: A Figura 9A é uma vista de extremidade; A Figura 9B é uma vista lateral de corte transversal.

[0031] As Figuras 10A, 10B e 10C são vistas esquemáticas laterais de corte transversal de três conduítes de alimentação de gás de queimador: A Figura 10A mostra um conduíte de alimentação de gás de queimador de linha de base sem nenhum recurso especificamente destinado a aumentar a turbulência; A Figura 10B mostra um conduíte de alimentação de gás de queimador que tem um bocal atuado por cavidade; e a Figura 10C mostra um conduíte de alimentação de gás de queimador que tem um bocal de fluxo dividido.

[0032] A Figura 11 é uma vista esquemática lateral de corte transversal que mostra a posição de conduítes de alimentação de gás de queimador como nas Figuras 8A a 10C para testes experimentais de combustão de oxicombustível para medir o número de Reynolds transicional, queda de pressão no conduíte de alimentação de gás e comprimento da chama.

[0033] As Figuras 12A e 12B mostram uma comparação esquemática de frentes de chama em uma chama turbulenta (Figura 12A) em que oscilações turbulentas impostas em uma frente de chama laminar resultam em formação de flamelets, e uma chama laminar, sendo que a frente de chama é geralmente bem definida (Figura 12B).

[0034] A Figura 13 é uma plotagem do número de Reynolds transacional medido experimentalmente como uma função da queda de pressão no conduíte de alimentação de gás.

[0035] A Figura 14 é uma plotagem do comprimento da chama medido experimentalmente como uma função do número de Reynolds transacional para as duas modalidades da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0036] Túneis são usados em muitas instalações de fabricação de vidro para fornecer resfriamento lento, mas controlado do vidro fundido antes da formação na extremidade fria. O controle preciso de taxas de resfriamento, que ocorre devido a um equilíbrio entre perda de calor através das paredes de túnel e da entrada de calor por meio de queimadores, é crítico para impedir a formação de defeitos de vidro. Já que um único túnel pode usar diversas centenas de queimadores fazendo disparos por canais estreitos (tipicamente 60,96-91,44 cm (2-3 pés) de largura), uma inspeção pós-instalação das chamas de queimador não é viável. Além disso, as taxas de disparo de queimador de oxicombustível são relativamente baixas, e os números de Reynolds de jato de chama estão frequentemente em uma faixa em que chamas laminares de baixo momentum prevalecem. Além disso, a influência da perturbação de chama devido ao fluxo cruzado de gases de combustão no interior do canal de túnel pode ser significativa. O efeito prejudicial de múltiplas chamas laminares em tal ambiente é ilustrado nas Figuras 2A e 2B, as quais resumem os resultados de modelagem em CFD de queimadores de oxicombustível em um túnel. Como mostrado na Figura 2A, as chamas se flexionam ao máximo na região mais afetada por correntes de gás de forno G, enquanto, como mostrado na Figura 2B, as chamas atingem a parede oposta na região mais quiescente do espaço de combustão.

[0037] Devido à exigência de uma taxa de queima muito baixa em um túnel, queimadores de oxicombustível em um túnel produzem frequentemente chamas similares a jato que são laminares ou transicionais (no processo de se transformar de laminar para turbulenta). Um aspecto indesejável de chamas laminares e transicionais é que seu comprimento da chama e sua estabilidade mudam de modo muito significativo com o aumento ou diminuição da taxa de queima. Isso pode causar problemas na operação do túnel que podem não ser detectados, já que é muito difícil observar as chamas a partir do exterior do túnel.

[0038] Portanto, como descrito no presente documento, identificouse que as características do queimador geram uma transição para uma chama turbulenta com números de Reynolds mais baixos do que ocorreria naturalmente em um queimador típico, enquanto também impede qualquer aumento desnecessário de queda de pressão. Esse projeto resulta na habilidade de operar queimadores de oxicombustível em um túnel com uma chama turbulenta que fornece um melhor controle e uma melhor confiabilidade.

[0039] Além disso, a misturação rápida associada ao regime completamente turbulento reduz significativamente a formação de ferrugem e a estratificação de temperatura de chama, o que auxilia no controle preciso de temperatura no interior do túnel. Outras características podem incluir variabilidade na posição axial do bocal central no bloco de queimador com túnel e a habilidade de remoção imediata e substituição de todo o conjunto de bocal central.

[0040] Nas modalidades descritas no presente documento, pelo bocal central flui um gás de combustível e o mesmo é circundado por um fluxo de oxidante anular que compreende tipicamente ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio. O fluxo de gás de combustível pelo bocal central reduz tipicamente a quantidade de combustível não queimado. No entanto, os mesmos benefícios de misturação melhorada podem ser alcançados em um queimador em que flui no bocal central um oxidante e o mesmo é circundado por um fluxo de gás de combustível anular.

[0041] A seguinte descrição detalhada fornece apenas modalidades exemplificativas preferenciais e não pretende limitar o escopo, a aplicabilidade ou a configuração da invenção. Em vez disso, a descrição detalhada a seguir das modalidades exemplificativas preferenciais fornecerá àqueles que são versados na técnica uma descrição capacitadora para implementar as modalidades exemplificativas preferenciais da invenção. Várias alterações podem ser feitas na função e disposição de elementos sem que haja desvio do espírito e do escopo da invenção, como definido nas reivindicações anexas.

[0042] Vários geradores de turbulência são usados em combustão e técnicas relacionadas. Frequentemente, esses dispositivos melhoram a misturação pode meio da criação de um arranjo de jatos de alta velocidade através de N bocais pequenos em uma ponta de queimador, como mostrado na Figura 3 (nota-se que o número de bocais é exemplificativo apenas, e que o mesmo conceito se aplica para qualquer número de bocais na ponta de queimador). A dissipação resultante de energia de pressão através de tal dispositivo é significativamente maior do que aquela de um único jato de diâmetro, D, como na Figura 4, em que D2 > Nd2 . Por exemplo, pressupondo-se que um gás que tem uma taxa de fluxo de massa, M, viscosidade absoluta, µ, e densidade, ρ, flui por um bocal que tem uma única saída com diâmetro, D, e se expande para uma câmara que tem dimensões de corte transversal muito maiores. A perda de pressão total, ΔPT,linha de base, devido à dissipação de energia cinética na saída do bocal é proporcional a ½ ρV2 , em que V é a velocidade média do bocal, enquanto o número de Reynolds do jato, Rej,linha de base é igual a ρVD/µ. Pressupõe-se que o bocal é configurado, de outro modo, com N orifícios de diâmetro, d, de tal modo que a área de corte transversal compósita da saída do bocal é reduzida de A, em que A é igual a πD2/4, para Ad, em que Ad é igual a πNd2/4, e Ad < A. Pode ser observada como uma primeira aproximação que as mudanças de perda de pressão total e de número de Reynolds do jato em relação ao caso de linha de base de um único bocal que tem diâmetro, D, são relacionadas à redução de área do bocal pela equações 2 e 3:
ΔPT,real/ ΔPT,linha de base = (A/Ad)2(2)
Rej,real/ Rej,linha de base = (A/Ad)0,5 (3)

[0043] Essas relações são plotadas na Figura 5 como uma função de Ad/A. A Figura 5 ilustra que o aumento indesejável de perda de pressão com redução em área de fluxo do bocal ultrapassa muito o aumento desejável de número de Reynolds. Ademais, se múltiplos pequenos orifícios forem usados, a combustão local ocorreria nas superfícies bocais que separam os vários orifícios, como ilustrado na Figura 6. Devido ao fato de que a turbulência causa rápida combustão, com temperaturas de chama de oxicombustível em excesso de 2760 °C (5000 °F), a combustão local danificaria o queimador e diminuiria a vida útil do queimador. Por esses motivos, o presente queimador não é configurado como mostrado nas Figuras 5 e 6.

[0044] Para que tenha valor industrial prático, um queimador de oxicombustível com túnel deveria ser capaz de gerar uma chama turbulenta a um baixo número de Reynolds, enquanto minimiza a perda de pressão total. Os inventores determinaram que um dispositivo eficaz para permitir essa transição de chama laminar para turbulenta com baixo número de Reynolds é um corpo rombudo truncado no conduíte de fluxo do jato central a montante de um plano de saída de bocal. Como usado no presente documento, o termo “truncado” significa que uma extremidade do corpo rombudo é originada em um limite de fluxo, enquanto a outra extremidade é terminada no campo de fluxo. O termo “a montante” significa um local que é distante do plano de saída de bocal, em oposição a um local “a jusante” mais próximo do plano de saída de bocal. A Figura 7 ilustra um cilindro circular truncado em um campo de fluxo e as várias formas de vorticidade produzidas no mesmo. Essas estruturas vorticosas podem ser formadas a um baixo número de Reynolds que permite a disposição estratégica de múltiplos corpos rombudos para produzir uma transição de fluxo laminar para turbulento na saída de bocal que ocorre a um baixo número de Reynolds com uma baixa perda de pressão.

[0045] Em uma modalidade alternativa, os corpos rombudos podem ser não truncados, isto é, fixados em ambas as extremidades à superfície interna do bocal. Nota-se, por comparação, que um corpo rombudo não truncado tem os vórtices ferradura em cada extremidade do cilindro, porém não tem o vórtice de ponta ou vórtice traseiro. Ademais, o vórtice de arco é substituído por tubos de vórtice duplo cujos eixos geométricos são alinhados com o eixo geométrico do cilindro. Embora as estruturas de fluxo do cilindro não truncado não têm o mesmo grau de tridimensionalidade do cilindro truncado, os inventores constataram que o cilindro não truncado ainda pode ser usado de modo vantajoso em um queimador para a aplicação descrita no presente documento.

[0046] Uma modalidade de um queimador de oxicombustível descrito no presente documento é baseada em uma disposição estratégica de múltiplos corpos rombudos para amplificar os efeitos da vorticidade formada em cada corpo rombudo e, ao fazê-lo, catalisa a transição de laminar-para-turbulenta com baixo número de Reynolds da chama do queimador. Consequentemente, o presente queimador compreende pelo menos dois corpos rombudos no conduíte central em diferentes posições axiais a montante do plano de saída como ilustrado na Figura 8A. O uso de múltiplos corpos rombudos facilita a difusão de turbulência por iniciação de turbilhonamentos em múltiplos locais no campo de fluxo, enquanto o espaçamento longitudinal promove uma amplificação de efeitos turbulentos que emanam de cada corpo rombudo a montante por meio de interações de campo de fluxo.

[0047] Há cinco características importantes do queimador inventivo que podem ser usadas separadamente e, de preferência, em combinação umas com as outras:

[0048] Primeiramente, o número de Reynolds do fluxo de gás que passa por cada corpo rombudo deve ser maior que o número de Reynolds mínimo para a formação de um vórtice de Von Karman em seu redemoinho, já que isso produz uma instabilidade de fluxo a partir da qual a turbulência se desenvolve. Para o queimador descrito no presente documento, um número de Reynolds mínimo de corpo rombudo (Rebb-i) de 50 foi usado. Para Rebb-i e Dbb-i, i se refere ao índice numérico para cada corpo rombudo, como pode ser observado nas Figuras 8A e 9B. O número de Reynolds do corpo rombudo é calculado de acordo com a equação 4:
Rebb-i = ρVentradaDbb-i/µ (4)

[0049] em que a velocidade, Ventrada, e a escala de comprimento, Dbb-i, pertencem à velocidade média de gás de corrente livre que se aproxima do corpo rombudo e à dimensão do i-ésimo corpo rombudo em um plano que é perpendicular à direção principal de fluxo. No caso de um corpo rombudo não circular, a escala de comprimento, Dbb-i, representa a amplitude do i-ésimo corpo rombudo no plano do fluxo como ilustrado na Figura 8B.

[0050] Em segundo lugar, o número de Reynolds do fluxo de gás que passa por cada corpo rombudo também deve ser menor que o número de Reynolds do fluxo de jato de gás que sai do bocal, como calculado na equação 1 acima, em que Dj é definido como d na Figura 8A.

[0051] Consequentemente, combinar a primeira e a segunda características produz a expressão a seguir para o número de Reynolds do corpo rombudo na equação 5:
50 ≤ Rebb-i ≤ Rej (5)

[0052] Em terceiro lugar, cada corpo rombudo deve atravessar um comprimento, Li, entre 0,5 e 1,0 vezes a largura característica, W, do plano de fluxo de gás, como mostrado na Figura 8A, como mostrado na equação 6:
0,5 ≤ Li/W ≤ 1,0 (6)

[0053] Nota-se que no caso de borda de Li/W=1,0, o i-ésimo corpo rombudo atravessaria completamente o conduíte central e seria não truncado.

[0054] Em quarto lugar, a separação de corpo rombudo no sentido da corrente, definido como a distância axial entre dois corpos rombudos vizinhos ou adjacentes dividida pela escala de comprimento do corpo rombudo a montante, Xi/Dbb-i (consultar Figura 8A para o caso de i=2), deve ser menor ou igual a 30 para garantir que a região de forte vorticidade gerada por um corpo rombudo continue longa o suficiente para alcançar o próximo corpo rombudo. Como usado no presente documento, o termo “adjacente” se refere a sois corpos rombudos que são vizinhos mais próximos na direção axial.

[0055] Em quinto lugar, a separação normalizada no sentido da corrente entre o corpo rombudo a jusante mais distante e o plano de saída de bocal X1/Dbb-1 (consultar Figura 8A) deveria ser menor ou igual a 30.

[0056] Em uma modalidade de um queimador de oxicombustível para uso em aplicações de túnel, cada corpo rombudo é introduzido a partir de uma posição circunferencial diferente ao redor do limite do conduíte central como ilustrado nas Figuras 9A e 9B, e a separação de corpo rombudo no sentido da corrente ou axial é menor que ou igual a 10. O ângulo de espaçamento entre corpos rombudos adjacentes na direção circunferencial gera vorticidade de turbilhonamento que tem múltiplos eixos geométricos que resultam subsequentemente em uma distribuição mais ampla de turbulência pelo campo de fluxo, enquanto garante baixa dissipação das estruturas de fluxo vorticosas antes da interação com o corpo rombudo a jusante adjacente.

[0057] Preferencialmente, quatro corpos rombudos com ângulos de espaçamento circunferencial entre corpos rombudos adjacentes de cerca de 90 graus são usados, em que cerca de é definido como ±10 graus (isto é, o espaçamento entre cada par adjacente de corpos rombudos pode ser de cerca de 80 graus a 100 graus). Além disso, mais preferencialmente, a separação de corpo rombudo no sentido da corrente é menor que ou igual a 5 e os corpos rombudos se estendem pelo diâmetro do bocal de saída, d, como nas Figuras 8A e 8B. Isso exige a adição de um termo à equação 6, produzindo a equação 7:
0,5 x (1+d/W) ≤ Li/W ≤ 1,0 (7)

[0058] As equações 4, 5, 6 e 7 são apresentadas para o caso em que cada corpo rombudo pode ter diferentes dimensões e espaçamento. No caso em que é vantajoso que todos os corpos rombudos tenham as mesmas dimensões e/ou espaçamento, os termos Dbb, L, X e Rebb podem substituir Dbb-i, Li, Xi e Rebb,i com propósitos de simplificação.

[0059] A intenção é amplificar a interação entre os campos de fluxo de redemoinho de corpos rombudos adjacentes, com a expectativa de um aumento resultante de geração de turbulência.

EXEMPLO

[0060] Uma comparação experimental de diversas modalidades do queimador de oxicombustível foi feita, incluindo princípios de projeto como estabelecido no presente documento contra quatro outras configurações: um bocal de linha de base que não tem nenhum dispositivo gerador de turbulência a montante (Figura 10A), bocais que têm tanto um quanto dois corpos rombudos da variedade já descrita e dois projetos de bocal que têm geradores de turbulência a montante que não eram da variedade do corpo rombudo, um bocal que tem uma cavidade de parede circunferencial (Figura 10B como mostrado no documento US 10.393.373) e um bocal em que o combustível é dividido internamente em duas correntes e, então, vigorosamente recombinado (Figura 10C). Os projetos de bocal atuais testados, bem como os quatro projetos comparativos, estão resumidos na Tabela 1. Nota-se que, no caso de múltiplos corpos rombudos, embora os valores de L, Dbb e X sejam iguais para cada corpo rombudo ou para o espaçamento entre cada corpo rombudo, em modalidades alternativas da presente invenção, cada corpo rombudo pode assumir seu próprio valor de L, Dbb e X sujeito às limitações das equações 5, 6 e 7.

[0061] Testes de combustão de oxicombustível foram conduzidos, nos quais o combustível foi introduzido através dos projetos de bocal central listados na Tabela 1 inserida em um espaço cheio de oxigênio como mostrado na Figura 11. O oxigênio era de grau comercial (maior que 99 % puro), enquanto o combustível era gás natural encanado. Os parâmetros-chave para avaliação relativa dos bocais incluíam:

[0062] Primeiramente, o número de Reynolds “transicional” de laminar-para-turbulento, ReTR, do jato central. A determinação de ReTR foi feita pelo surgimento inicial de distorção e movimento temporal da interface da chama entre as correntes de combustível e oxigênio. Esse tipo de surgimento de frente de chama, por vezes denominado extremidade turbulenta ou flamelets, é mostrado esquematicamente nas Figuras 12A e 12B (consultar Turns, An Introduction to Combustion, 2a Edição, McGraw-Hill Book Company, Nova York, 2000).

[0063] Em segundo lugar, a perda total de pressão de combustível normalizada pela perda de carga de energia cinética no plano de saída de bocal; isto é, ΔPtotal / ½ ρVsaída2.

[0064] Em terceiro lugar, o comprimento da chama como uma função da taxa de fluxo de bocal central. As medições de comprimento de chama relatadas no presente documento foram feitas por análise de imagem de fotografias de chama. A base da determinação de comprimento da chama era a identificação da interface entre a porção laranja amplamente não reagida do jato de combustível central produzido por formação de ferrugem e a cor azul clara adjacente associada à emissão em alta temperatura e não equilíbrio de C2, a denominada banda de Swan na porção altamente reativa da ponta da chama.

[0065] A Figura 13 compara o número de Reynolds médio transacional e a perda de pressão média total para os diferentes projetos de bocal, normalizados pelos respectivos valores associados com o bocal de linha de base. Duas linhas essencialmente paralelas são adicionadas ao gráfico para ênfase. A linha pontilhada superior conecta os resultados do gerador de turbulência atuado por cavidade (designação C na Tabela 1), os projetos de corpo rombudo único e duplo e bocal de corrente dividida (designação S na Tabela 1). A linha contínua inferior é um ajuste de curva linear dos dados para os bocais descritos no presente documento (3-BB e 4-BB-S). Finalmente, o ponto de dados do bocal longo com 4 corpos rombudos (4-BB-L) é posicionado abaixo da linha contínua. A comparação desses dados e curvas sugere enfaticamente que, para uma dada perda de pressão, o queimador com os bocais inventivos alcança uma maior redução no número de Reynolds transacional do que os outros bocais testados.

[0066] Esperava-se que o bocal 2-BB tivesse uma maior redução de número de Reynolds transacional, mais similar a 3-BB do que 1-BB. Os inventores especularam, sem se ater à teoria, que as configurações 3-BB e 4-BB podem ser mais eficazes porque os efeitos turbulentos são amplificados em uma maior extensão quando o ângulo de espaçamento entre corpos rombudos adjacentes é de cerca de 120 graus (isto é, de 110 graus a 130 graus) no caso de 3-BB ou cerca de 90 graus (isto é, de 80 graus a 100 graus) no caso de 4-BB. Na configuração 2-BB, um ou mais dos vórtices gerados pelo corpo rombudo a montante podem ter sido mais bem alinhados com o corpo rombudo a jusante devido ao ângulo de espaçamento de 180 graus, levando a uma menor amplificação. Por esse motivo, um bocal 2-BB pode ser mais eficaz na redução do número de Reynolds transacional se o ângulo de espaçamento circunferencial entre os dois corpos rombudos adjacentes é de mais que cerca de 0 graus e menos que cerca de 180 graus ou mais que cerca de 60 graus e menos que cerca de 180 graus.

[0067] Além disso, dentre os bocais inventivos testados, aquele que usa os corpos rombudos mais longos, 4-BB-L, demonstraram a maior redução do número de Reynolds transacional para uma dada perda de pressão. Nesse sentido, a Figura 14 mostra uma plotagem de comprimento da chama como uma função de número de Reynolds, ambos normalizados em relação ao bocal de linha de base 0, para as modalidades 4-BB-S e 4-BB-L. Notou-se que os dados de 4-BB-L refletem um comprimento da chama continuamente crescente com o número de Reynolds, ao contrário dos dados de 4-BB-S que mostram uma chama mais longa imediatamente abaixo da transição para fluxo turbulento. O comportamento de 4-BB-S é indicativo da transição de difusividade molecular para turbulenta anteriormente explicada e ilustrada na Figura 1. A ausência do pico no comprimento da chama para 4-BB-L confirma a melhora significativa e inesperada de produção de turbulência associada aos corpos rombudos mais longos. Essa conclusão fornece, então, evidência adicional para o desempenho melhorado dos corpos rombudos mais longos inferida a partir de dados da Figura 13, a qual mostra que 4-BB-L tem um menor número de Reynolds transacional em comparação à linha de tendência que resultaria de 3-BB e 4-BB-S.

[0068] Embora todos os experimentos tenham ocorrido com combustível no bocal e oxigênio através do espaço anular, é evidente que resultados benéficos similares poderiam ter sido alcançados com fluxo de oxigênio através do bocal e combustível através do espaço anular. Garantir que o gás fluindo pelo plano de saída de bocal é turbulento é suficiente para promover misturação e alcançar uma chama turbulenta.

[0069] Embora os princípios da invenção tenham sido descritos acima em conjunto com as modalidades preferenciais, deve-se compreender claramente que essa descrição é feita apenas com fins exemplificativos e não como uma limitação do escopo da invenção.

Claims

Aparelho de alimentação de gás de queimador para aumentar turbulência de chama, caracterizado por o aparelho compreender:
um conduíte que tem uma largura característica, W, definida por uma superfície interna que tem uma direção circunferencial e uma direção axial, em que a direção axial termina em um bocal que define um plano de saída de bocal e que tem uma dimensão característica, d, em que d <= W; e
um primeiro corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-1, que se projeta em um comprimento, L1, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L1/W <= 1, sendo que o primeiro corpo rombudo é distanciado do plano de saída de bocal por uma distância axial de X1, em que X1/Dbb-1 <= 30; e
um segundo corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-2, que se projeta em um comprimento, L2, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L2/W <= 1, sendo que o segundo corpo rombudo está mais distante na direção axial do plano de saída de bocal do que o primeiro corpo rombudo e distanciado do primeiro corpo rombudo por uma distância axial de X2, em que X2/Dbb-2 <= 30;
e um terceiro corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-3, que se projeta em um comprimento, L3, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L3/W <= 1, sendo que o terceiro corpo rombudo está mais distante na direção axial do plano de saída de bocal do que o segundo corpo rombudo e distanciado do segundo corpo rombudo por uma distância axial de X3, em que X3/Dbb-3 <= 30;
em que o primeiro corpo rombudo e o segundo corpo rombudo são separados na direção circunferencial por um primeiro ângulo de espaçamento; e
em que o segundo corpo rombudo e o terceiro corpo rombudo são separados na direção circunferencial por um segundo ângulo de espaçamento.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que 0,5 * (1 + d/W) <= L1/W <= 1;
em que 0,5 * (1 + d/W) <= L2/W <= 1; e
em que 0,5 * (1 + d/W) <= L3/W <= 1.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que 0,8 <= L1/W <= 1;
em que 0,8 <= L2/W <= 1; e
em que 0,8 <= L3/W <= 1.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que 0,6 <= d/W <= 0,7.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que X1/Dbb-1 <= 5;
em que X2/Dbb-2 <= 5; e
em que X3/Dbb-3 <= 5.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro corpo rombudo e o conduíte são dimensionados para que um número de Reynolds do primeiro corpo rombudo, Rebb-1 = ρVentradaDbb-1/µ, seja igual ou maior que 50; e
em que a dimensão característica de bocal, d, é dimensionada para que um número de Reynolds do jato, Rej = ρVjd/µ, seja igual ou maior que o número de Reynolds do primeiro corpo rombudo, Rebb-1.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro corpo rombudo tem um corte transversal circular.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo de espaçamento e o segundo ângulo de espaçamento são, cada um, maiores que 60 graus e menores que 180 graus.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo de espaçamento e o segundo ângulo de espaçamento são, cada um, de 110 graus a 130 graus.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo de espaçamento e o segundo ângulo de espaçamento são, cada um, de 80 graus a 100 graus.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente:
e um quarto corpo rombudo que tem uma dimensão característica, Dbb-4, que se projeta em um comprimento, L4, para o interior do conduíte a partir da superfície interna, em que 0,5 <= L4/W <= 1, sendo que o quarto corpo rombudo está mais distante na direção axial do plano de saída de bocal do que o terceiro corpo rombudo e distanciado do terceiro corpo rombudo por uma distância axial de X4, em que X4/Dbb-4 <= 30;
em que o terceiro corpo rombudo e o quarto corpo rombudo são separados na direção circunferencial por um terceiro ângulo de espaçamento.
Aparelho de alimentação de gás de queimador, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo de espaçamento, o segundo ângulo de espaçamento e o terceiro ângulo de espaçamento são, cada um, de 80 graus a 100 graus.
Queimador, caracterizado por compreender:
um aparelho de alimentação de gás de queimador como definido na reivindicação 1; e
um conduíte de reagente que circunda o aparelho de alimentação de gás de queimador;
em que o aparelho de alimentação de gás de queimador é configurado e disposto para fornecer um dentre um combustível e um oxidante; e
em que o conduíte de reagente é configurado e disposto para fornecer outro dentre um combustível e um oxidante.