Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Erhalt kohärenter Gasstrahlen und auf eine zum Erhalt
kohärenter Gasstrahlen verwendbare Vorrichtung.
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Gasstrahlen, d. h. von einer Düse in einer stromähnlichen Weise bei Hochgeschwindigkeit ausgestoßenes
Gas, kann in mindestens zwei Formen vorliegen. Die zwei derzeit fraglichen Formen sind ein
konventioneller turbulenter Strahl (oder wie im folgenden verwendet ein "normaler Strahl") und ein kohärenter
Strahl.
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In einem normalen Strahl erzeugt ein von einer Düse ausgestoßenes Gas einen Gasstrahl. Umgebungsgas
wird in den Gasstrahl mitgerissen und bewirkt eine Expansion des Strahls. Ein typischer normaler Strahl
ist in Fig. 1 dargestellt. Das Gas tritt aus einer Düse 1 aus und entwickelt sich zu einem normalen Strahl
2. Die Rate an Mitreißen von Umgebungsgas kann aus einer in der Literatur angegebenen Gleichung
berechnet werden, namentlich aus: "The Combustion of Pulverized Coal" von M. A. Field, D. W. Gill, B.
B. Morgan, und P. G. W. Hawksley, in "The British Coal Utilization Research Association", Kapitel 2,
"Flow Patterns and Mixing", S. 46. Diese Gleichung trifft zu, nachdem sich der turbulente Strahl
vollständig entwickelt hat, was dann auftritt wenn x/d&sub0; etwa 6 ist. Bei Werten von weniger als 6 fällt die Rate
an Mitreißen niedriger aus.
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In der obigen Formel ist:
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Ma/Mo = Verhältnis der Masse des mitgerissenen Umgebungsgases zu der Masse des ursprünglichen
Gasstrahls,
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ρa/ρo = Verhältnis der Dichte des Umgebungsgases zu der Dichte des ursprünglichen Gasstrahls,
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x/d = Axialabstand von der Düse geteilt durch den Düsendurchmesser.
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Für eine vollständig entwickelte turbulente Strömung ist die Rate an Mitreißen, wie durch die Gleichung
angegeben, ziemlich hoch. Wenn beispielsweise die Umgebungsgasdichte gleich zu der des
ursprünglichen Strahlgases ist, wäre die Masse an mitgerissenem Gas für eine Strahllänge, die äquivalent zu drei
Düsendurchmessern ist, annähernd gleich zu der Masse des Gases von dem ursprünglichen Strahl. Für
Strahllängen von 3, 6, und 9 Düsendurchmessern wäre die Masse an mitgerissenem Gas jeweils das 1-, 2-,
und 3-Fache von der des anfänglichen Strahlgases.
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Im Unterschied zu einem normalen Strahl tritt nur sehr wenig Mitreißen von Umgebungsgas in einem
kohärenten Strahl für einen beträchtlichen Abstand von der Düsenstirnseite auf. Der Strahl bleibt relativ
kohärent mit einer sehr leichten Expansion, wie in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 tritt das Gas aus einer Düse
1 aus und entwickelt sich zu einem kohärenten Strahl 3. Typischerweise kann der Strahl für eine
Strahllänge von etwa 50 Düsendurchmessern oder mehr kohärent bleiben, bevor er in einen normalen
Strahl übergeht.
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In einem autogenen Schneidbrenner ist der Sauerstoffstrahl von einem Ring reduzierender Flammen
umgeben und entweder vorgemischt, d. h. der Brennstoff und die Oxidationsmittelgase werden vor dem
Austritt aus der Düse vermischt, oder nachgemischt, d. h. der Brennstoff und die Oxidationsmittelgase
werden nach dem Austritt aus getrennten Düsen vermischt. Innerhalb dieser heißen Flammenumhüllung
wird der Sauerstoffstrahl kohärent, so dass ein gerader sanfter Schnitt beim Auftreffen des
Sauerstoffstrahls in dem Kohlenstoffstahl erfolgen kann. Wäre der Strahl nicht kohärent, bestünde das Ergebnis
in einem groben Schnitt von schlechter Qualität.
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Die zum Erhalt eines kohärenten Sauerstoffstrahls und der in der vorliegenden. Anwendung verwendeten
Daten benutzte Ausrüstung beim Stand der Technik ist in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Wie in den
Fig. 3A und 3B gezeigt durchströmt das Hauptgas, in diesem Fall Sauerstoff, eine
konvergierendedivergierende Düse 4, um eine Überschallströmung zu erhalten. Ein innerer Löcherring 5 für Erdgas und
ein äußerer Löcherring 6 für Sauerstoff sind ebenfalls bereitgestellt.
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In der Testvorrichtung hatte die konvergierende-divergierende Düse 4 einen Durchlassdurchmesser von
1,085 cm (0,427 inch) und einen Auslassdurchmesser von 1,47 cm (0,580 inch). Der Innenring verfügte
über 16 Löcher 5, die jeweils einen Durchmesser von 0,287 cm (0,113 inch) aufwiesen und mit
gleichmäßigem Abstand um einen Kreis mit einem Durchmesser von 4,128 cm (1 5/8 inch) angeordnet waren.
Der Außenring wies ebenfalls 16 Löcher 6 auf, deren Durchmesser jeweils 0,409 cm (0,161 inch) betrug
und die gleichmäßig um einen Kreis mit einem Durchmesser von 5,72 cm (2 1/4 inch) vorgesehen waren.
Mit dieser Vorrichtung wurden Tests unter Verwendung einer Staudüse durchgeführt, um die
Strahlgeschwindigkeit entlang der Strahlachse zu bestimmen. Verfahren der Verwendung einer Staudüse zum
Messen der Gasgeschwindigkeit sind beim Stand der Technik wohlbekannt. Staudüsen messen lokale
oder punktuelle Geschwindigkeiten durch die Messung der Differenz zwischen dem Aufpralldruck und
dem statischen Druck. Die Messungen erfolgten mit nachbrennenden Flammen (33,98 m³/h (1200 CFH)
Erdgas und 33,98 m³/h (1200 CFH) Sauerstoff) und ebenfalls ohne nachbrennende Flammen.
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Die Aufträge der Gasgeschwindigkeit gegen den Axialabstand von der Düse sind in Fig. 4 angegeben.
Wie aus Fig. 4 einfach ersichtlich lag ohne die Flammen ein deutlicher Gasgeschwindigkeitsabfall
entlang der Strahlachse vor. Mit den Flammen blieb die Strahlgeschwindigkeit an der Achse für eine
Strahllänge von 61 cm (24 inch) (eine Anzeige für die kohärente Strahlnatur) im wesentlichen konstant
bei einer Überschallgeschwindigkeit (z. B. Mach 1 oder höher), bevor sie abzunehmen begann. Die
Differenz zwischen den zwei Kurven in Fig. 4 ist ziemlich drastisch. Das gemessene Mitreißen von Gas
in den kohärenten Teil des Strahls betrug etwa 5% des Wertes, der unter Verwendung der Gleichung für
einen normalen Strahl berechnet wurde.
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In US-A-4 622 007 und in US-A-4 642 047 sind Verfahren und Vorrichtungen für das
Hochtemperaturerwärmen, Schmelzen, Raffinieren und Überhitzen von Materialien wie z. B. Metallen, keramischen
Materialien oder Glas offenbart. Brennstoffströme und mindestens zwei oxidierende Gase werden
getrennt voneinander in eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskammer zugeführt. Ein erstes
oxidierendes Gas reagiert mit dem Brennstoff und ein zweites oxidierendes Gas ist um den Flammenkern herum
gerichtet, um weiter mit dem Brennstoff zu reagieren.
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in dem in WO A-97/09566 offenbarten Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff werden verschiedene
Brennstoffströme auf einem kurvigen Weg in Relation zu der Längsachse eines Hauptstroms eines
zylindrischen oder leicht konischen Hauptstroms von Sauerstoff oder eines Sauerstoff enthaltenden Gases
geblasen, der/das sich in der Durchflussrichtung ausweitet. Die Brennstoffströme sind umfänglich
ausgebildet, um den Hauptstrom zu umgeben, in ihn einzudringen und in den Hauptstrom eingesaugt zu
werden.
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Würde ein normaler Argonstrahl verwendet, um zur Auslösung des Verrührens ein Bad von
schmelzflüssigem Stahl zu durchdringen, müsste er aus Effektivitätsgründen so nahe an dem schmelzflüssigen Bad
angeordnet werden, dass die Düse korrodieren würde. Käme ein normaler Strahl mit einer ausreichenden
Länge zum Einsatz, um die Düsenkorrosion zu vermeiden, würde er eine große Menge an Umgebungsgas
mitreißen, bevor der Strahl auf die Badoberfläche auftreffen würde. Folglich besäße ein derartiger
normaler Strahl ein breites, niedriges Geschwindigkeitsprofil und wäre beim Durchdringen des
Metallbades ineffektiv.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines kohärenten Gasstrahls unter
Verwendung eines von Sauerstoff unterschiedlichen Gases, in der Bereitstellung von Verfahren zum
Erhalt kohärenter Gasstrahlen, in der Bereitstellung von verbesserten kohärenten Sauerstoffstrahlen und
in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die kohärente Gasstrahlen erzeugen kann. Diese Erfindung
beabsichtigt die Verwendung jedes Gases einschließlich reaktiver und inerter Gase.
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Dementsprechend hat der Anmelder kohärente Gasstrahlen und Verfahren und eine Vorrichtung für deren
Herstellung entwickelt, die beim Stand der Technik nicht verfügbar waren.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Erfindung schließt
kohärente Gasstrahlen ein, in denen das Strahlgas nicht reaktiv ist. Geeignete Gase beinhalten Stickstoff,
Argon und Kohlendioxid.
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Weiterhin schließt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines kohärenten Gasstrahls
ein. Dies wird durch ein Umgeben des Gasstrahls mit Flammen bewerkstelligt, die zu der Zentralachse
des Hauptgasstrahls hin abgelenkt werden. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann ein aus jedem Gas
bestehender, langer kohärenter Strahl erhalten werden.
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Zusätzlich schließt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung ein, welche die Flammen zu der
Zentralachse des Gasstrahls hin ausrichten und dadurch einen langen kohärenten Strahl bewerkstelligen kann.
Eine derartige Vorrichtung kann Deflektoren beinhalten, welche die das Gas umgebende Flammenumhüllung
verengen und die Flammen hinein zu der Achse des Gasstrahls richten können. Eine solche
Vorrichtung kann auf bestehenden Vorrichtungen wie z. B. den in den Fig. 3A und 3B dargestellten
Vorrichtungen montiert werden oder sie kann als vollständig neue Einheit angeordnet werden. Geeignete
Vorrichtungen beinhalten Vorrichtungen vom Düsentyp, die über der Flammen-/Gas-Kombination
vorgesehen sind, wenn die Flammen und das Gas anfänglich austreten, und welche die Flammen nach
innen richten. Weiterhin schließt die Erfindung eine Vorrichtung ein, welche das Oxidationsmittelgas in
das Brennstoffgas ablenkt, um eine Ausrichtung der Flammen zu dem Hauptgasstrahl hin zu bewirken,
sowie eine Vorrichtung, welche die Düsen für den Brennstoff und die Oxidationsmittelgase bei einem
Winkel bereitstellt, so dass die Flammen aus den Düsen austreten und zur Erzeugung eines kohärenten
Gasstrahls zu der lateralen Achse des Hauptgasstrahls hin ausgerichtet sind, ohne zusätzliche
Ablenkungsvorrichtungen zu verwenden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Darstellung eines konventionellen, turbulenten oder eines "normalen" Strahls.
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Fig. 2 ist eine Darstellung eines kohärenten Strahls.
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Fig. 3A und 3B sind Darstellungen der Ausrüstung gemäß dem Stand der Technik, die zum Erhalt
eines kohärenten Sauerstoffstrahls verwendet werden können. Fig. 3A ist eine
Querschnittsansicht und Fig. 3B ist eine Aufsicht.
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Fig. 4 ist ein die Geschwindigkeit entlang der Achse für einen Sauerstoffstrahl mit und ohne
eine Flammenumhüllung darstellender Graph.
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Fig. 5 ist eine Skizze eines Flammendeflektors, der an der in den Fig. 3A und 3B
illustrierten Strahlausrüstung befestigt ist.
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Fig. 6 ist ein die Geschwindigkeit entlang der Strahlachse fir einen Stickstoffstrahl mit und
ohne den Flammendeflektor darstellender Graph.
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Fig. 7 ist ein die Geschwindigkeit entlang der Strahlachse für einen Argonstrahl mit und
ohne eine Flammenumhüllung darstellender Graph.
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Fig. 8 ist ein Graph, der kohärente Sauerstoffstrahlen (ohne einen Flammendeflektor) mit
kohärenten Strahlen aus Stickstoff und Argon (mit Flammendeflektoren) vergleicht.
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Fig. 9 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Flammendeflektors, der
gemäß der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
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Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die das
Oxidationsmittelgas ablenkt, um die Flammen zu dem Hauptgasstrahl hin auszurichten.
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Die Bezugszeichen in den Zeichnungen sind für die gemeinsamen Elemente die gleichen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beinhaltet kohärente Gasstrahlen. Derartige kohärente Gasstrahlen behalten
die Geschwindigkeit des Gasstroms bei oder nahezu bei, wenn der Strom mit einer sehr leichten
Expansion aus der Düse austritt, da für einen beträchtlichen Abstand von der Düsenstirnseite ein sehr leichtes
Mitreißen von Umgebungsgas in einen kohärenten Strahl auftritt. Ein typischer kohärenter Strahl kann für
eine Strahllänge von etwa 50 Düsendurchmessern oder mehr kohärent bleiben, bevor er sich in einen
normalen Strahl umwandelt. Die Gase, die zur Ausbildung eines kohärenten Strahls verwendet werden
können, sind inerte oder nicht reaktive Gase.
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Beispiele für inerte oder nicht reaktive Gase beinhalten Stickstoff, Argon und Kohlendioxid. Zur
Ausbildung des Hauptgasstrahls können auch Gemische aus Gasen verwendet werden.
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Die kohärenten Gasstrahlen gemäß dieser Erfindung werden durch ein Umhüllen des den Strahl
ausbildenden Gases oder Hauptgases mit Flammen bewerkstelligt, wobei die Flammen zu der Zentralachse des
Gasstrahls ausgerichtet werden. Die Aufgaben der Erfindung können mit Unter- und
Überschallgasgeschwindigkeiten für den kohärenten Strahl gelöst werden. Allerdings ist die Erfindung bei einer
Gasgeschwindigkeit im Überschallbereich, d. h. Mach 1 oder darüber, effektiver.
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Die zur Erzeugung eines von Flammen umhüllten Gasstrahls verwendete Vorrichtung kann vom gleichen
wie oben erläuterten und in den Fig. 3A und 3B dargestellten Vorrichtungstyp sein. In einer solchen
Vorrichtung wird das den Strahl ausbildende Gas an der innersten Stelle einer Reihe von konzentrischen
Ringen angeordnet. Das Strahlgas wird durch zwei Löcherringe umgeben, die ein zum Erzeugen der
Flammen verwendetes Oxidationsmittel und ein Brennstoffgas getrennt zuführen können. Die Anzahl,
Größe und Anordnung von Löchern für das Oxidationsmittel und Brennstoffgas sind so gewählt, dass die
Ausbildung einer Flammenumhüllung ermöglicht wird, die zu dem Zentrum des Gasstrahls deflektiert
werden kann. Wie oben erläutert wird in der in den Fig. 3A und 3B dargestellten Vorrichtung der innere
Löcherring für Erdgas und der äußere Löcherring für Sauerstoff verwendet. Ebenso ist ein Betrieb
möglich, bei dem für den inneren Löcherring Sauerstoff und für den äußeren Löcherring Erdgas
verwendet wird. Brennstoff und Oxidationsmittelgase können auch über konzentrische, ringförmige Ringe
zugeführt werden.
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Die zur Erzeugung der das Strahlgas umgebenden Flammenumhüllung verwendeten Gase können jedes
Gas sein, das dem Fachmann bekannt ist. Beispielsweise kann Oxidationsmittel verwendet werden, das
30 bis 100 Vol.% Sauerstoff enthält. Oxidationsmittel mit einem Sauerstoffgehalt über 90 Vol.% werden
bevorzugt. Das Brennstoffgas kann von jeder bekannten Art sein, einschließlich Wasserstoff, Propan,
Erdgas, und anderen Kohlenwasserstoftbrennstoffen.
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Die Brennstoff und Oxidationsmittelgase können entweder vor- oder nachvermischt werden.
Nachvermischte Flammen sind sicherer und werden deshalb bevorzugt.
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Ein kohärenter Gasstrahl wird durch die Verwendung einer Vorrichtung erhalten, welche die Flammen zu
der Zentralachse des Gasstrahls ablenkt, wie z. B. eine Vorrichtung, die in den Fig. 3A und 3B
dargestellt ist. Ein Beispiel eines solchen Deflektors ist in Fig. 5 gezeigt. Dieser Deflektor kann auf der
Oberseite der in den Fig. 3A und 3B gezeigten Struktur angeordnet werden. Aus Fig. 5 ist ersichtlich,
dass innere feste Wände 7 eines Deflektors 8 zu der Zentralachse der Hauptgasstrahlachse mit einem
Winkel von annähernd 25º konvergieren. Diese konvergierende Wandstruktur bewirkt, dass die von dem
austretenden Brennstoff und Oxidationsmittel erzeugte Flammenumhüllung zu der Zentralachse des
Strahlgases ausgerichtet wird, wenn dieses an einem Austritt 9 aus dem Deflektor austritt, was zu einem
kohärenten Gasstrahl führt.
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Obgleich die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform einen bestimmten Ablenkungswinkel aufweist,
beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht hierauf. Jeder Winkel, der eine Ausrichtung der Flammen
zu dem Gasstrahl hin bewirkt und einen kohärenten Gasstrahl bewerkstelligt, liegt in dem Rahmen dieser
Erfindung. Daher wird davon ausgegangen, dass jeder Ablenkungswinkel bis zu 90º geeignet ist.
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Eine Flamme wird um den Hauptstrahl in der Nähe der Düsenstirnseite ausgebildet, indem die
Flammenumhüllung zu der Hauptstrahlachse ausgerichtet wird.
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Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen veranschaulicht. Obgleich die Beispiele spezifische
Durchflussraten für das Hauptgas und die Brennstoff und Oxidationsmittelgase aufweisen, versteht sich,
dass sich die Erfindung nicht darauf begrenzt, und der Fachmann vermag geeignete Durchflussraten für
die Gase auszuwählen.
Beispiel 1
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Der in Fig. 5 als Beispiel dienende Deflektor wird an der in den Fig. 3A und 3B dargestellten Gasstrahl-
und Flammenvorrichtung angebracht. Es wurden nachbrennende Flammen verwendet, wobei 33,98 m³/h
(1200 CFH) Erdgas aus dem inneren Löcherring und 33,98 m³/h (1200 CFH) Sauerstoff aus dem äußeren
Löcherring austrat, um ein Flammenmuster zu erzeugen. Stickstoff wurde als das Haupt- oder Strahlgas
bei einer Durchflussrate von etwa 594,6 m³/h (21000 CFH) verwendet, wobei der Druck stromauf der
Düse 963 kPa (125 psig) betrug.
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Die Gasgeschwindigkeit entlang der Strahlachse wurde mit einer Staudüse gemessen. Es erfolgten
Messungen mit und ohne einen Flammendeflektor. Wie aus Fig. 6, die ein Graph der Geschwindigkeit
entlang der Achse des Stickstoffstrahls, gemessen mit und ohne den Flammendeflektor ist, direkt
ersichtlich ist, wurde eine deutliche Verbesserung durch die Verwendung des Flammendeflektors erhalten.
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Wie in Fig. 6 dargestellt blieb mit dem Flammendeflektor für eine Strecke von etwa 63,5 cm (25 inch)
von dem Düsenausgang die Geschwindigkeit des Stickstoffs über 457 m/s (1500 Fuß/s (fps)). Ohne den
Flammendeflektor fiel die Stickstoffgeschwindigkeit an einer 63,5 cm (25 inch) von der Düse entfernten
Stelle bis auf etwa 305 m/s (1000 fps) ab. Somit war bei Verwendung des Flammendeflektors der
Stickstoffstrahl kohärenter, wobei die Geschwindigkeit entlang der Strahlachse konsistent höher ausfiel.
Beispiel 2
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Unter Verwendung von Argon als das Haupt- oder Strahlgas waren die nachvermischten Flammen die
gleichen (Lochgröße, Geometrie und Durchflussraten) wie bei den oben beschriebenen Tests mit
Sauerstoff und Stickstoff. Die für Argon ausgelegte konvergierende-divergierende Düse wies einen engen
Durchlass mit einem Durchmesser von 1,113 cm (0,438 inch) und einen Auslass mit einem Durchmesser
von 1,407 cm (0,554 inch) auf. Die Argondurchflussrate betrug 566,3 m³/h (20000 CFH), wobei ein
Druck von 929 kPa (120 psig) stromauf der Düse verwendet wurde.
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Die Gasgeschwindigkeitsmessungen erfolgten mit einer abgelenkten Flamme und ohne die
Flammenumhüllung. Die Aufträge der Geschwindigkeit entlang der Achse für den Betrieb mit und ohne die Flammen
sind in Fig. 7 angegeben. Mit der Flamme und dem Deflektor wurde ein langer kohärenter Strahl
erhalten. Der Unterschied zwischen dem Betrieb mit und ohne die Flammen fiel ähnlich zu den Ergebnissen
mit Sauerstoff auf. Ein Vergleich der Strahlgeschwindigkeit bei einem Probeabstand von 91,4 cm (36
inch) von der Düsenstirnseite aus erfolgte mit und ohne den Flammendeflektor. Die gemessene
Geschwindigkeit betrug mit dem Deflektor 369 m/s (1210 fps) und ohne Deflektor 259 m/s (850 fps). Der
Flammendeflektor führte zu einem großen Unterschied.
Beispiel 3
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Ein direkter Vergleich der drei Gase (Argon und Stickstoff mit dem Flammendeflektor und Sauerstoff
ohne den Flammendeflektor), wobei Sauerstoff als ein Hauptgas außerhalb der Erfindung liegt, ist in
Fig. 8 aufgeführt. Die Geschwindigkeit wurde mittels Dividieren der Geschwindigkeit entlang der
Strahlachse durch die Geschwindigkeit am Düsenausgang normalisiert. Die Aufträge zeigen deutlich,
dass mit der Verwendung des Flammendeflektors kohärente Strahlen für im wesentlichen jedes Gas
erhalten werden können, die mit denjenigen von Sauerstoff vergleichbar sind. Die Länge des kohärenten
Teils des Strahls nahm von Stickstoff über Sauerstoff zu Argon zu. Dies kann möglicherweise auf den
Zuwachs in der Gasdichte zurückgeführt werden. Zu erwarten ist, dass sich mit einer Steigerung der
Gasdichte die Länge des kohärenten Strahls erhöht.
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Es liegen unterschiedliche Wege zur Ablenkung der Flamme zu der Strahlachse vor, um kohärente
Strahlen zu erhalten. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Deflektors ist in Fig. 9 illustriert. In
dieser Ausführungsform ist der Spalt zwischen der Düsenstirnseite für das Hauptgas 4 und dem Deflektor
10 klein, was zu einer erhöhten Radialgeschwindigkeit von Brennstoffgas, Sauerstoff und den
Verbrennungsprodukten zu der Strahlachse hin führt. Hier beträgt der Ablenkungswinkel der Flammen etwa 90º.
In dieser Ausführungsform werden die Flammen vor Verlassen des Deflektoraustritts 11 zu dem Strahlgas
abgelenkt.
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Ein anderer Ansatz zur Simulierung des Effekts eines Flammendeflektors würde im Anwinkeln der
Löcher für das Brennstoffgas und/oder den Sauerstoff in Richtung der Strahlachse bestehen.
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Eine bevorzugte Anordnung zum Erhalt eines kohärenten Strahls unter Verwendung eines nichtreaktiven
Gases ist in Fig. 10 dargestellt. Fig. 10 zeigt eine Ablenkungsvorrichtung 12, die auf einer
Gaszufuhrstruktur 13 sitzt. Das Hauptgas, in Fig. 10 als Stickstoff dargestellt, wird durch eine Zentraldüse 4
zugeleitet, und der Brennstoff und die Oxidationsmittelgase werden durch Ringräume 14 bzw. 15
eingeleitet. Wie aus Fig. 10 ersichtlich strömen das Hauptgas und das Brennstoffgas ungehindert hinauf
durch den Ringraum und die Düse 4. Die Ablenkungsvorrichtung 12 richtet jedoch die Strömung des
Oxidationsmittelgases in den Strom des Brennstoffgases durch Löcher 17, die um den Umfang herum
angeordnet und zu der Hauptgasstrahlachse ausgerichtet sind.
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Unter Verwendung der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung, bei der als Zufuhr für die
Flammenumhüllung Stickstoff als das Hauptgas und Erdgas und Sauerstoff verwendet wurde, wurde ermittelt, dass der
Sauerstoffstrom für jedes Loch 17 in den Ringraum mit Erdgas hineindrang, und es wurde eine um den
Hauptstrahl an der Düsenstirnseite ausgebildete Flamme beobachtet. Somit wurde anstelle eines festen
Deflektors das Niedergeschwindigkeitssauerstoffgas zum Ablenken der Flamme zu dem Hauptstrahl
verwendet. Es wird angenommen, dass sich dieses Verfahren bei der Verwendung mit inerten Gasen als
effektiver als die oben beschriebenen Vorrichtungen erweisen kann.
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Ein Deflektor kann für alle Strahlgase verwendet werden. Für von Sauerstoff unterschiedliche Gase kann
der Effekt des Deflektors sehr signifikant ausfallen, wie dies oben bei den Tests mit entweder Stickstoff
oder Argon als das Hauptgas illustriert wurde.
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In der Praxis der vorliegenden Erfindung ist es nicht nur wichtig, die Flammen zu dem Strahlgas hin
abzulenken, sondern ebenfalls von Bedeutung, die Durchflussraten für das Brennstoffgas und das
Oxidationsmittel zur Erzeugung der den Strahl umgebenden Flammen in bestimmten Richtlinien zu halten. Die
Richtlinien verwenden die folgenden Symbole.
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Q - Befeuerungsrate (LHV) für das Brennstoffgas - MMBtu/h (million Btu/h)
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V - Volumetrische Durchflussrate für das Oxidationsmittel - MCFH (Tausend ft³ pro Stunde) bei
60ºF und Atmosphärendruck.
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P - Vol.% Sauerstoff in dem Oxidationsmittel
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D - Düsenausgangsdurchmesser - inch
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Das Vol.% an Sauerstoff in dem Oxidationsmittel (P) sollte größer als 30% und vorzugsweise größer als
90% sein. Das Verhältnis Q/D sollte größer als 0,6 sein und vorzugsweise etwa 2,0 betragen. Die
Funktion VP/D sollte größer als 70 sein und vorzugsweise etwa 200 betragen.
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Zusätzlich sollten Verbrennungsinstabilitäten wie z. B. Unregelmäßigkeiten in der Flamme oder den
Brennstoff und Oxidationsmittelgasen vermieden werden.
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Die zum Aufbau der Düsen und Deflektoren verwendeten Materialien sind beim Stand der Technik
wohlbekannt und beinhalten rostfreien Stahl, Kupfer, und in einigen Anwendungen feuerfeste
Materialien.
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Die Düse und der Deflektor können während des Betriebs in Abhängigkeit von der Endverwendung des
kohärenten Strahls gekühlt werden. Soll der Strahl beispielsweise in einem Ofen verwendet werden, wäre
eine Kühlung der Düse zweckmäßig, wobei die dem Fachmann bekannten Verfahren einschließlich einer
Wasser- und Luftkühlung geeignet wären.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich gelang dem Anmelder die Bewerkstelligung neuer
kohärenter Gasstrahlen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Anordnung zum Ablenken
der Flammen zu der Zentralachse eines Hauptgases hin begrenzt, um einen kohärenten Strahl zu
erzeugen.