CN1423083A - 使用液体燃料火焰罩的密聚喷射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种由喷枪产生一股或多股密聚射流的方法和装置,其中液体燃料和运动气体一起进入喷枪面上的凹槽,并用来产生一火焰罩以维持射流的密聚。

Description

使用液体燃料火焰罩的密聚喷射系统
技术领域
本发明通常涉及一种密聚喷射技术。
背景技术
近来在气体动力学领域中的重大改进是发展了密聚喷射技术，其产生一种激光状气体射流，所述射流能行进长的距离，同时仍基本保持其初速度并使射流的直径几乎没有增加。密聚喷射技术的一个非常重要的商业应用是将气体引入液体，例如熔融金属中，从而气枪可以与液体表面隔开一个大的距离，使操作更安全有效，这是由于与传统技术相比有更多的气体透入液体的缘故，在传统技术中很多气体从液体表面偏转而未进入液体。
在一种密聚气体喷射系统中，一股或多股气体射流由一种火焰包套或火焰罩围绕，以保持气体射流在离开喷枪长距离下的密聚性。火焰罩通过燃烧氧化剂和气体燃料如甲烷或天然气而产生。在一些情况中，可能需要使用液体燃料而不是气体燃料来产生火焰罩。例如，在下面的领域中液体燃料比气体燃料更优选，即在气体燃料通常不易得到的情况下和/或气体燃料比液体燃料成本高的情况下。不幸，在密聚气体喷射系统中直接用液体燃料代替气体燃料不会产生令人满意的关于密聚射流的结果。
因此，本发明的目的是提供一种用于产生密聚气体射流的系统，其能有效地采用液体燃料来产生必不可少的火焰罩。
发明概述
上述和其它目的通过本发明来实现，这些目的在本领域技术人员阅读下述内容后会很清楚。本发明的一个方面是：
一种用于产生密聚气体射流的方法，包括：
(A)使至少一股气体射流从至少一个喷嘴进入一喷射空间(volume)，位于喷枪中的所述喷嘴具有一喷枪面(lance face)并在该喷枪面处与喷射空间连通；
(B)使液体燃料进入一位于喷枪面上的凹槽，所述凹槽围绕喷嘴；
(C)使运动气体进入凹槽，在凹槽内产生一液体燃料流，使液体燃料雾化，并使雾化的液体燃料从凹槽出来进入环绕气体射流的喷射空间；而且
(D)使氧化剂进入喷射空间并使氧化剂和雾化的液体燃料燃烧，从而在气体射流周围产生火焰罩。
本发明的另一方面是：
提供一种密聚喷射的喷枪装置，包括：
(A)一喷枪，其具有一喷枪面和至少一个在喷枪面处具有一个孔的喷嘴；
(B)位于喷枪面上围绕喷嘴孔的凹槽；
(C)用于提供进入凹槽的液体燃料的装置，和用于使运动气体进入凹槽以使液体燃料在凹槽内雾化的装置；和
(D)位于凹槽的径向向外处的用于通过从喷枪来的氧化剂的装置。
用在此处的术语“喷枪面”指的是喷枪紧靠喷射空间的表面。
用在此处的术语“密聚射流”指的是一种气体射流，其通过从喷嘴喷射气体而形成而且其沿至少20d的长度具有一定的速度和动量，其中d为喷嘴的出口直径，前述速度和动量与刚从喷嘴喷出时的相似。描述密聚射流的另一种方式是一种在至少20d的距离中几乎没有直径变化的气体射流。
当涉及密聚气体射流时所用的术语“长度”指的是从气体喷射的喷嘴到密聚气体射流的预定撞击点或到气体射流不再密聚的地方的距离。
附图的简要描述
图1是喷枪面一优选实施例的俯视图，图2是喷枪一优选实施例的横剖图，所述喷枪具有这种可以用在本发明中的喷枪面。
图3表示工作中的图1和图2所示本发明的实施例。
附图中的相同元件采用相同的标号。
详细描述
下面参照附图对本发明进行详细描述。
现在参照图1、2和3，由流动箭头1示出的气体经过喷嘴2，最好是一种会聚扩散喷嘴，然后经过喷枪面6上的喷孔4从喷枪出来以形成喷射空间7中的密聚气体射流5。气体射流的速度通常为700～3000英尺/秒(fps)。最好在气流刚从喷枪面喷出时其速度是超音速的，而且在至少20d的距离上仍保持超音速。尽管附图示出的实施例仅采用一股通过仅一个喷嘴从喷枪喷出的密聚气体射流，但在本发明的应用中可以有多于一股的通过各喷嘴从喷枪喷出的密聚气体射流。当采用多于一股的从喷枪喷出的密聚气体射流时，这种密聚气体射流的数量通常为2～6股。
在本发明的应用中任何有效的气体都可以被用作形成密聚射流的气体。这些气体可以是氧气、氮气、氩气、二氧化碳、氢气、氦气、水蒸气和碳氢气体。包括两种或多种气体的混合气体如空气，也可以用作本发明应用中的这种气体。
如附图中所示，喷枪3最好具有一个延伸部8，其从喷枪3向外延伸以形成喷射空间7内的再循环区域9，用以从喷枪3接收液体燃料和气体。从喷枪3轴向地出来的气体进入再循环区域9以形成密聚气体射流5。在图3所示的本发明的实施例中，所述气体完全与喷枪3的中心线或主轴线对准。喷枪3的中心线或主轴线可以假想为通过在喷枪3的整个轴向长度上延伸流动箭头1而形成。
一个凹槽10最好位于喷枪面上围绕喷嘴孔4，如图1所示，绕喷嘴孔4成一整圆。液体燃料11，如沥青、焦油、任何和所有等级的燃油、煤油以及喷射燃料通过至少一个液体燃料通道12进入凹槽或沟槽10。通常提供1至16个燃料通道来使液体燃料11进入凹槽10。液体燃料通道可以围绕凹槽10等间隔地分布。液体燃料11从通道12通常以每小时5～150加仑(gph)的总流速进入凹槽10。液体燃料可以从通道12以和喷枪面6基本平行的方向进入凹槽10，其中基本平行指的是在绝对平行的正负30度范围内。但是液体燃料可以以任何有效的角度进入凹槽10。通常喷枪面6被取向为基本垂直于喷枪3的中心线或主轴线。
运动气体13通过一个或多个运动气体通道14进入凹槽10，如果采用多于一个运动气体通道14，那么通道14最好围绕凹槽14等间隔分布。运动气体最好以一角度进入凹槽10，所述角度足以在凹槽中产生液体燃料的涡流。涡流用于分布液体燃料并避免凹槽积碳。运动气体还用于使液体燃料雾化。通常运动气体13从通道14以一角度进入凹槽10，该角度相对于凹槽10底壁的法线成0～60°。运动气体13从通道14通常以200～4000标准立方英尺/小时(scfh)的总流速进入凹槽10。尽管在本发明的应用中可以使用任何有效气体，但是运动气体最好是氧化剂，如空气、氧浓度超过空气的富氧空气，或者氧浓度至少为90摩尔百分比的商用氧气。运动气体最好是一种氧浓度至少25摩尔百分比的氧气。其它气体如氮气和水蒸气也可以用作运动气体。进入凹槽的运动气体的速度最好是音速。
由进入凹槽的运动气体的角动量引起的液体燃料的涡流用于使液体燃料雾化和基本上均匀地分布在凹槽内。这增强了随后形成的气体射流周围的火焰罩或火焰包套的完整性，并用来使沟槽或凹槽10内的积炭减到最少或消除积炭，积炭会减小凹槽的有效性。沟槽或凹槽10的深度通常为0.25～2英寸。
使液体燃料和运动气体进入喷射空间7，最好进入环状围绕气体射流5的喷射空间7的再循环区域9。在图3所示本发明的优选实施例中，其中运动气体为氧化剂，液体燃料和氧化剂运动气体在再循环区域9中燃烧以形成气体射流5周围的火焰包套15。使用喷枪延伸部8来形成再循环区域9促进了雾化的液体燃料的气化和由气化的液体燃料燃烧所形成的火焰包套的稳定性，其中延伸部通常从喷枪面6延伸出1～10英寸。
可以是空气、富氧空气或商用氧气的辅助或笼罩的氧化剂从喷枪3出来经过设置在喷枪3上的在凹槽10径向向外的一个或多个辅助氧化剂提供装置16进入喷射空间7，最好进入喷射空间7的再循环区域9。当采用延伸部8时，延伸部8设置在凹槽10的径向向外处和辅助氧化剂提供装置16的径向向外处。辅助氧化剂通常以500～10,000scfh的流速从喷枪3出来。辅助氧化剂在喷射空间7中与雾化的液体燃料混合并燃烧，形成一围绕喷射空间7中气体射流5的火焰包套15，其通常为熔炉区。围绕气体射流5的火焰包套15用于防止喷射空间气体被抽入气体流5中，从而防止气体流5的速度显著降低并防止气体流5的直径显著增大，至少是相对20d的距离而言。
使用类似于附图中所示的装置进行了一系列测试。测试的条件和结果仅为了解释说明而不是限制性的。在各测试中，主要的气体是具有99.5摩尔百分比纯度的商业氧气，并以36000scfh和1600fps的流速从会聚/扩散喷嘴进入再循环区域，其中所述喷嘴的喉部直径为0.62英寸、出口直径为0.81英寸。液体燃料是No.2燃油并以35gph的流速通过8个液体燃料通道进入凹槽。运动气体为商业氧气并通过8个运动气体通道以1000～2000scfh的流速进入凹槽，所述通道与垂直方向成30°角。辅助氧化剂是商业氧气并以1000～6000scfh的流速通过位于喷枪面的 英寸直径圈上的16个孔进入喷射空间。延伸部的内径为3.5英寸并伸出喷枪面6英寸。与使用已知结构和相同条件但使用天然气形成火焰包套时建立的密聚射流的长度相比，在上述条件下建立的密聚射流的长度长出约45英寸。
尽管已经参照特定实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员会认识到在权利要求的精神和范围内还有其它实施例。

Claims (15)

1.一种用于产生密聚气体射流的方法，包括：
(A)使至少一股气体射流从至少一个喷嘴进入一喷射空间，所述喷嘴位于一喷枪中，此喷枪有一喷枪面并在该喷枪面处与该喷射空间连通；
(B)使液体燃料进入一位于喷枪面上的凹槽，所述凹槽围绕喷嘴；
(C)使运动气体进入凹槽，在凹槽内产生一液体燃料流，使液体燃料雾化，并使雾化的液体燃料从凹槽出来进入环绕气体射流的喷射空间；而且
(D)使氧化剂进入喷射空间并使氧化剂和雾化的液体燃料燃烧，从而在气体射流周围产生火焰罩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于运动气体包括氧气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使一股气体射流从一个喷嘴进入喷射空间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于液体燃料包括燃油。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使气体射流以超音速进入喷射空间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于液体燃料在凹槽内的流动是涡流。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于液体燃料以基本平行于喷枪面的方向进入凹槽。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使运动气体以相对于凹槽底部的法线成最大60°的角进入凹槽。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使运动气体以音速进入凹槽。
10.一种密聚射流的喷枪装置，包括：
(A)一喷枪，其具有一喷枪面和至少一个在喷枪面处有一孔的喷嘴；
(B)位于喷枪面上围绕喷嘴孔的凹槽；
(C)用于提供进入凹槽的液体燃料的装置，和用于使运动气体进入凹槽以使液体燃料在凹槽内雾化的装置；和
(D)位于凹槽的径向向外处的用于通过从喷枪来的氧化剂的装置。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于凹槽完全围绕喷嘴孔。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于凹槽的深度为0.25～2.0英寸。
13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于运动气体提供装置以相对于凹槽底部的法线成最大60°的角提供进入凹槽的运动气体。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于还包括一从喷枪面延伸的延伸部，该部位于喷枪上的凹槽径向向外处。
15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于用于使液体燃料进入凹槽的装置以基本平行于喷枪面的方向使液体燃料进入凹槽。
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