DK173281B1 - Fremgangsmåde og apparat til tilvejebringelse af varmeoverføring i en ovn - Google Patents

Description

i DK 173281 B1

Den foreliggende opfindelse angår en forbedret fremgangsmåde og et apparat til tilvejebringelse af varmeoverfø-ring til en ovn under anvendelse af en brænder og en lanse til indføring af en reaktionshastighedsforøgende gas (f.eks.

5 oxygen) under brænderflammen. Et sådant apparat er kendt fra US-A-3.353.941.

Generelt er virkningsgrader i direkte fyrede industrielle processer, for eksempel fremstilling af glas, begrænset af varmeoverføringens mekanik. Varmeoverføring er forholdsvis 10 effektiv i nærheden af flammen. Ved praktiske anvendelser er opvarmningsemnet imidlertid ikke placeret koncentrisk omkring flammen, som det ville være ønskeligt med henblik på effektiv varmeoverføring. I stedet for modtager de fleste opvarmningsemner varmestrøm gennem plane eller moderat krumme 15 overflader såsom den vandrette overflade af en glas-metal-smelte i en glassmelteovn, den lodrette væg af en varmeveksler i en kedel eller den krumme overflade af en charge af granulært materiale i en roterovn.

Det er kendt, at tilsætningen af en reaktionshas-20 tighedsforøgende gas forbedrer varmeoverføringen i et direkte fyret anlæg. Udtrykket "reaktionshastighedsforøgende gas" indbefatter som anvendt her enhver gas, som vil påvirke den ønskede reaktion på en positiv måde, for eksempel oxygen, oxygenberiget luft, blandinger af oxygen og andre gasser 25 såsom acetylén og lignende. Dette er fordi, flammetemperaturen og dermed overføringen af varme fra flammen til opvarmningsemnet vil blive forøget. Yderligere formindsker reduktionen af nitrogen, der strømmer gennem forbrændingsanlægget, røggastab.

30 Selv om tilføjelsen af en reaktionsforøgende gas forøger varmeoverføringsvirkningsgraden, har der været gjort anstrengelser for at forbedre varmeoverføringen ved at ændre den indbyrdes placering af brænderen og røret eller lansen, der anvendes til at overføre den hastighedsforøgende gas 35 til anlægget. Sædvanligvis indføres en oxygenstrålestrøm mellem flammen og opvarmningsemnet gennem en aksesymmetrisk 2 DK 173281 B1 % lanse med lansens udblæsningsport typisk anbragt grænsende til brænderen. Som anvendt her betyder udtrykket "aksesymmetrisk", at et tværsnit af gasstrålen eller flammen ved afgangspunktet fra lansen eller brænderen taget vinkelret 5 på længdeaksen for strålen eller flammen er i det væsentlige cirkulært. "Ikke-aksesymmetrisk" betyder, at tværsnittet er i det væsentlige ucirkulært.

I sådanne anlæg medfører indføringen af oxygen under anvendelse af en aksesymmetrisk lanse dannelsen af en smal, 10 blyantsformet højtemperatujrzone langs længden af flammen. Varmestrømmen til opvarmningsemnet er større fra den oxygenintensiverede zone end fra resten af flammen. Som en følge heraf udsættes opvarmningsemnet for store, lokaliserede varmestrømme, som resulterer i ujævnt opvarmede områder i 15 opvarmningsemnet, der sædvanligvis betegnes som "varme pletter" . Ujævn opvarmning begrænser virkningsgraden og kapaciteten af ovnen og påvirker produktkvaliteten ugunstigt.

En anden fremgangsmåde til forbedring af varmeover-føringen er omhandlet i US patentskrift nr. 4 444 586. En 20 aksesymmetrisk oxygen-brændstoflanse rettes vinkelret mod smelteoverfladen i en flammeovn til smeltning af kobber, så at flammen er i direkte kontakt med en del af kobberet.

- Flammen frembringes af en aksesymmetrisk olieforstøver med en koncentrisk, ringformet oxygentilførsel. Dette arrangement 25 frembringer kun forøget varmeoverføring meget lokalt til det område, hvor flammen rammer kobberet.

Det gennemsnitlige statiske tryk i en stråle af reaktionshastighedsforøgende gas er lavere end det omgivende tryk. Hvor meget lavere afhænger af massefylden og hastig-30 heden af strålestrømmen. Denne observation kan udledes af ' de herskende bevægelsesmængdeligninger.

Praktisk taget alle flammer, som frembringes i industrielle ovne, er i det væsentlige isobare (lavt Mach tal).

Dette kan konstateres ved fokusering på strømmen tværs over 35 flammen på en længdeskala af størrelse som flammetykkelsen.

I en sådan analyse kan flammekrumningen negligeres selv for . 3 DK 173281 B1 turbulente flammer. En standard størrelsesordenanalyse fører til den konklusion, at viskositetsvirkningerne på trykfaldet tværs over flammer ligeledes kan negligeres.

Ansøgeren har opdaget, at feltet med reduceret statisk 5 tryk indført af en tung (kold) stråle effektivt kan forsætte og deformere en isobar, mindre tung, varm flamme. Ved på passende måde at anbringe strålen mellem opvarmningsemnet og flammen og ved at anvende en ikke-aksesymmetrisk stråle trækkes flammen i retning mod feltet med lavt statisk tryk, 10 der er indført af den koldere stråle. Dette resulterer i mere gunstig flammeplacering og -geometristyring, som forøger virkningsgraden af flammen til overføring af varme til hele opvarmningsemnet uden dannelse af varme pletter.

Ifølge nærværende opfindelse er der tilvejebragt et 15 apparat til tilvejebringelse af en relativt ensartet varme-overføring til en overflade, som skal opvarmes, som omfatter en brænder, som under brug er i stand til at tilvejebringe en flamme, som strækker sig over den nævnte overflade og en gaslanse med organer til at udsende en reaktionshastigheds-20 forøgende gas ’’ikke cirkulært" og som er placeret til under brug at tilvejebringe et aerodynamisk reduceret trykfelt, for derved at deformere og forskyde flammen imod overfladen. Udtrykket brænder som almindeligt kendt og anvendt heri beskriver en indretning, som udsender et brændstof eller et 25 brændstof i kombination med en oxidant.

Den brænder, der er omhandlet ifølge den foreliggende opfindelse, indbefatter ikke kun en brændstofudgang til udsendelse af et brændstof alene eller et brændstof i kombination med en oxidant men også en gaslanse, gennem hvilken 30 der udsendes en reaktionshastighedsforøgende gas.

Der kan anvendes en ikke-aksesymmetrisk formet brændstofudgang eller brænderudgang, fortrinsvis med en facon lignende lansens. Som en følge heraf tillader brændstof-såvel som gasstrålebevægelsesmængden og den relative flamme-v 35 retning større styring af flammeposition, -facon og -temperatur, hvilket fører til endnu mere gunstige varmeover- 4 DK 173281 B1 føringsegenskaber i forhold til konventionelle lansearrangementer og -metoder.

Lansen til udsendelse af den reaktionshastighedsforøgende gas har en indløbsende og afsluttes i en ikke cirkulær 5 distal eller gasudløbsende. Udløbsenden har fortrinsvis en væsenligt bredere åbning end indløbsenden og er fortrinsvis udfladet (i forhold til et konventionelt cirkulært udløb) for derved at tilvejebringe en ikke cirkulær udstrømning af den nævnte gas.

10 Afgangen fra udgangsenden af lansen er defineret ved et par yderste, over for hinanden liggende punkter, således at et plan, der går gennem de yderste, over for hinanden liggende punkter er ikke parallelt med og typisk hovedsageligt vinkelret på et plan, der skærer midt igennem lansen 15 og brænderen. Flammen og gasstrålen er således orienteret på en sådan måde, at der opnås optimal flammedeformitet og forsætning.

s Lansen kan anvendes med en konventionel brænder med et udløb med cirkulært tværsnit eller med en brænder, som i 20 fortrinsvis har en udløbsfacon svarende til faconen af udlø- ϋ * bet fra lansen for derved at frembringe en flad flamme (som kan være krum eller ej) som lettere indrettes til at bevirke en ensartet varmeoverføring. Lansen og resten af brænderen kan være udformet som en kombineret enhed eller kan være 25 adskilt fra brænderen. Hvis det ønskes kan en lanse i overensstemmelse med opfindelsen efterinstalleres i forbindelse med en brænder.

Den ikke cirkulære gasstråle skaber et aerodynamisk reduceret statisk trykfelt mellem flammen og opvarmningsem-30 net. Dette reducerede tryk trækker flammen i retning mod gasstrålen, dvs. forsætter flammen. Følgelig kan flammen f.eks. ved at rette gasstrålen tæt ved den termiske belastning placeres tæt ved den termiske belastning. Yderligere deformerer den ikke cirkulære strømning flammen i tværretnin-35 gen til frembringelse af en udfladet flamme med høj tempera-Ξ tur med en mere ensartet temperaturprofil. Disse ønskede ; 5 DK 173281 B1 egenskaber er mere udtalte når brændere eller brænderens brændstofudgang ligeledes er forsynet med en ikke cirkulær profil, specielt når faconen af brænderens brændstofudgang er en lignende som lansens udgang.

5 Passagen i lansen kan være en enkelt ikke cirkulær kanal eller omfatte adskillige kanaler, hvoraf én eller flere kanaler kan have et aksesymmetrisk tværsnit. I hvert tilfælde er gasstrømmen ud fra lansen indrettet til at danne en stråle med flad eller ikke cirkulær facon.

10 For eksempel kan lansens udgangsende have et rektangu lært eller ellipsoideformet tværsnit. Den rektangulært formede udgangsende anvendes fortrinsvis i en konventionel højtemperaturovn med en plan opvarmningsflade, mens den ellipsoideformede udgangsende er specielt egnet til brug i 15 en roterovn, hvor overfladen af opvarmningsemnet er krum.

Brænderen eller brændstofudgangen kan være udformet med enhver ikke-aksesymmetrisk profil men har fortrinsvis en facon lignende faconen af lansen. Sammenpassede faconer tilvejebringer optimal kontakt (typisk over et forøget over-20 fladeareal) mellem flammen og gasstrålen og indfører derved optimal varmeoverføring ved konvektion og stråling.

Fagmanden vil forstå, at der ved et punkt fjernt fra brænderen kan forekomme en vis grad af deformation af en ikke-lodret orienteret flamme som følge af en kombination 25 af flammeopdriften og hastighedens aftagning. Den afstand fra brænderens udgangsende, hvor naturlig deformation af flammen forekommer, er afhængig af sådanne faktorer som Froudetallet. Det bør forstås, at henvisning til faconen af flammen frembragt ifølge den foreliggende opfindelse henviser 30 til flammen ovenstrøms for, hvor den naturlige deformation finder sted.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere, idet der henvises til tegningen, hvor tilsvarende henvisningsbetegnelser angiver tilsvarende dele, og på hvilken 35 fig. 1 viser en perspektivisk gengivelse af en typisk aksesymmetrisk lanse af kendt art, 6 DK 173281 B1 fig. 2 en perspektivisk gengivelse af én udførelsesform for gaslansen ifølge den foreliggende opfindelse med en enkelt kanal til opvarmning af en plan overflade, fig. 3 set forfra en udførelsesform for gaslansen 5 ifølge den foreliggende opfindelse med flere kanaler, fig. 4 en perspektivisk gengivelse af en enkel tkanal-gaslanse ifølge den foreliggende opfindelse til brug ved opvarmning af en krum overflade, fig. 5 en perspektivisk gengivelse af en flerkanal-10 lanse til brug ved opvarmning af en krum overflade, fig. 6A en perspektivisk gengivelse af en højtemperaturovn visende anbringelsen af gaslanse-brænderkombinationen ifølge den foreliggende opfindelse, fig. 6B en tværsnitsgengivelse langs linien A-A i 15 det i fig. 6A viste brænder-lansearrangement visende forsætning og deformation af flammen, 1 fig. 7A en delsnitgengivelse af en brænder indbefat tende en gaslanse, hvor både gaslansen og brændstofudgangen har på lignende måde formede ikke-aksesymmetriske udgangs-20 ender, fig. 7B en delsnitgengivelse af en anden brænder indbefattende en lanse, i hvilken lansen har den samme udformning som vist i fig. 3, og brændstofudgangen er den samme som den i fig. 6A viste, 2 5 fig. 7C er en delsnitgengivelse af endnu en anden ' brænder indbefattende en lanse, i hvilken brændstofudgangen og lansen hver har en krum profil lignende den for den i fig. 4 viste lanse, fig. 8 en skematisk gengivelse af forholdet mellem 3 0 flammen og opvarmning s emnet i en kendt ovn med en plan varme- modtagende overflade, fig. 9 en skematisk gengivelse af forholdet mellem flammen og opvarmningsemnet i en ovn med en plan varmemod-tagende overflade ifølge den foreliggende opfindelse, 35 fig- 10A en vandret temperaturprofil tværs over op- varmningsemnet i retning vinkelret på flammeretningen som 7 DK 173281 B1 frembragt af en kendt lanse, fig. 10B en vandret temperaturprofil tværs over op-varmningsemnet i retning vinkelret på flammeretningen som frembragt af en lanse ifølge den foreliggende opfindelse, 5 fig. 11A en lodret temperaturprofil tværs over en flamme frembragt af en kendt lanse langs linien B-B i fig.

6B, fig. 11B en lodret temperaturprofil tværs over en flamme frembragt af en lanse ifølge den foreliggende opfin-10 * delse langs linien B-B i fig. 6B, fig. 12A et diagram visende vandrette temperaturprofiler af en flamme nedenstrøms for en brænder i fravær af en oxygenstråle, fig. 12B et diagram visende vandrette temperaturpro-15 filer af en flamme nedenstrøms for en brænder, der anvender en konventionel aksesymmetrisk lanse, fig. 12C et diagram visende vandrette temperaturprofiler af en flamme nedenstrøms for en brænder, der anvender en ikke-aksesymmetrisk lanse ifølge den foreliggende opfin-20 delse, fig. 13 et diagram visende den rumlige temperaturfordeling i et plan Y * O i fig. 7A, og fig. 14 et diagram visende den rumlige fordeling af isotermer i et plan Y * O i fig. 7A.

25 Som vist i fig. 1 har en typisk kendt gaslanse 1 et i det væsentlige cylindrisk legeme 2 dannet mellem aksesymmetriske indgangs- og udgangsender henholdsvis 3a og 3b, så at lansen 1 i det væsentlige har facon som et cylindrisk rør.

I modsætning hertil har de nye gas lans er, der anvendes 30 ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse, en udgangsende, som er ikke-aksesymmetrisk og derved medfører udledning af en ikke-aksesymmetrisk gasstrøm.

Som vist i fig. 2 indbefatter en udførelsesform for lansen 4 ifølge den foreliggende opfindelse et aksesynmetrisk 35 legeme 6 med en indgangsende 7 og en modsat ende 8 forbundet med en lanseudgangsende eller spids 5 med en afgangsport 9.

8 DK 173281 B1

Lansespidsen 5 udvider sig ikke-aksesymmetrisk i længderetningen fra den overfor liggende ende 8 af legemet 6 til udgangsenden 5 for at tilvejebringe en afgangsport 9, som er væsentlig bredere end indgangsenden 7 og frembyder en 5 affladet, i det væsentlige rektangulær profil. Afgangsporten 9 indbefatter et par referencepunkter 80 og 82 anbragt ved modstående ender af lansespidsen 5, og som anvendes til at positionere lansen 4 i forhold til brænderen for at tilvejebringe optimal forsætning og deformitet af flammen, som 10 det skal forklares senere. Den hastigheds forøgende gasstråle-strøm, f.eks. en oxygenstrålestrøm, der udledes af spidsen 5, er ikke-aksesymmetrisk, og er tilpasset efter den i det væsentlige rektangulære profil af afgangsporten 9.

Under driften strømmer gassen gennem legemet 6 fra 15 indgangsenden 7 i en aksesymmetrisk profil. Efterhånden som gassen kommer ind i spidsen 5, antager den den ikke-aksesym-metriske facon af spidsen 5 for at tilvejebringe en ikke--aksesymmetrisk, planlignende gashastighedsprofil, der forlader gasafgangsporten 9.

20 En anden udførelsesform for lansen 4 tilvejebringer en ikke-aksesymmetrisk gasprofil som vist i fig. 3. Lansen 4 indbefatter et antal aksesymmetriske kanaler 30 rummet i et i det væsentlige cylindrisk legeme 6. Hver kanal har en i indgangsende 7 og en afgangsport 9 med referencepunkter 80 * 25 og 82, og hvorfra der udblæses en aksesymmetrisk gasprofil.

Kanalerne 30 er vinkelstillede udad fra længdeaksen for legemet 6, så at den kombinerede profil af den reaktionshastighedsforøgende gas, der forlader afgangsportene 9 i kanalerne 30, tilvejebringer en ikke-aksesymmetrisk, planlignende 30 gashastighedsprofil som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 2. Kanalerne 30 kan strække sig ud fra legemet 6 eller være indesluttet deri som vist i fig. 3. Den sidste udførelsesform foretrækkes for at tilvejebringe ekstra beskyttelse af kanalerne 30 i ovnomgivelserne.

35 Lansen 4 kan også have en ellipsoidelignende facon for at tilpasse sig krumme overflader. Som vist i fig. 4 9 DK 173281 B1 har spidsen 5 af lansen 4 en enkelt afgangsport 31, der er ellipsoidelignende i facon, og som er beregnet til brug i en roterovn, hvori opvarmningsemnet har en krum overflade.

En udførelsesform for lansen 4 med en ellipsoidelig-5 nende facon er vist i fig. 5, hvor gasstrålestrømmen strømmer ud af individuelle, akse symmetriske kanaler 32. Som beskrevet i forbindelse med fig. 3 kan kanalerne 32 befinde sig inden i legemet 6 og ligeledes tilvejebringe en ikke-aksesyimetrisk gasprofil.

10 Forholdet mellem brænderen eller brændstofudgangen i brænderen og gaslansen ifølge den foreliggende opfindelse er vist i omgivelserne for en typisk glasovn, der er i stand til at producere 150 tons glas pr. dag. Som vist i fig. 6A indføres chargeringsmateriale i den ene ende 41 af glasovnen 15 40. Ovnen 40 indbefatter en hals 42, der fører til en forhærd 43, fra hvilken det smeltede glas overføres til den endelige produkt fremstilling.

Ni_brændere 44, tre under hver af tre lufttilførselsporte 45, brænder samtidig tværs over glassmelten 46. Gas-20 lanser af den i fig. 2 viste art er anbragt under hver af brænderne 44 og indstillet under en vinkel, der er tilstrækkelig til både at deformere og forsætte flammen således, at en i det væsentlige flad profil af en flamme ensartet dækker hele opvarmningsemnet. Dette tilvejebringer en betydeligt 25 forøget varmeoverføringshastighed samtidig med, at man undgår varme pletter. Lanserne 4 kan være indstillet under en vinkel i områdets^ indtil ca. +45°C ind i flammen og ca. -45° bort fra flammen. Typisk opnås der gode resultater, når strålen er i det væsentlige parallel med flammen.

30 Fig. 6B viser deformationen og forsætningen af flammen ved anvendelse af gaslansen 4 i de i forbindelse med fig.

6A beskrevne ovnomgivelser. Nærmere bestemt rummer en væg 48 af ovnen 40 lufttilførselsportene 45, brænderne 44 og de nye lanser 4 ifølge opfindelsen. Lanserne 4 er placeret 35 mellem brænderne 44, og varmeoverføringsoverfladen, dvs. smelten 46, og er tilnærmelsesvis parallelle med brænderen 10 DK 173281 B1 44. Gassen 14, som strømmer ud af lansen 4, frembringer et lavtryksfelt mellem flammen og opvarmningsemnet og trækker flammen 12 nedad over smelten 46 og udflåder flammen 12 udad, så at flammen 12 er ensartet spredt over hele smelten 5 46.

Fig. 7A til 7C viser et arrangement af en brænder indbefattende en brændstofudgang og en lanse, hvor hver anvender en ikke-aksesymmetrisk udgang. Nærmere bestemt anvender det i fig. 7A viste arrangement en lanse af den i 10 fig. 2 viste art inden i en brænder 50 med en ikke-aksesymmetrisk brændstofudgang 52 og en indgangsende 54, som kan være aksesymmetrisk som specielt vist i fig. 7A. Ifølge opfindelsen er referencepunkter 80 og 82 placeret ved afgangsporten 9. Et plan C-C, der går gennem referencepunkterne 15 80 og 82, er ikke parallelt med (fortrinsvis vinkelret på) et plan D-D, der skærer midt gennem både lansen 4 og brændstofudgangen 52. Når lansen 4 ikke er en del af brænderen, vil planet D-D skære midt gennem både lansen og brænderen.

Fig. 7B viser et andet arrangement, i hvilket en 20 lanse i det væsentlige som vist og beskrevet i forbindelse med fig. 3 er funktionelt placeret i forhold til brændstof-1 udgangen i det væsentlige på samme måde som vist i fig. 7A.

Det i fig. 7B viste arrangement udsender en flamme og en reaktionshastighedsforøgende gas, som hver har i det væsent-^ 25 lige den samme udfladede, ikke-aksesymmetriske profil, ind i ovnen.

Fig. 7C viser en brænder indbefattende en brændstof-udgang og en lanse, hvor lansen er i det væsentlige den samme som vist og beskrevet i forbindelse med fig. 4. Bræn-30 deren 60 har en lignende ellipsoideformet brændstofudgang med en enkelt afgansport 64 til brug i en roterovn med op-: varmningsemnet på en krum overflade.

De i fig. 7A til 7C viste udførelsesformer resulterer i en mere geometrisk ensartet forøgelse af stråle- og konvek-35 tionsvarmeoverførsel til overfladen af underlaget. Desuden kan det aerodynamisk reducerede trykfelt skabt af gasstrålen {ta 11 DK 173281 B1 lettere trække flammen nedad og placere flammen tættere ved overfladen af underlaget. Det bør imidlertid forstås, at der kan opnås acceptable resultater ved anvendelse af en aksesymmetrisk brænder med en ikke-aksesymmetrisk lanse 5 eller en ikke-aksesymmetrisk brænder med en ikke-aksesymmetrisk lanse med forskellige ikke-aksesymmetriske profiler.

Som vist i fig. 8 og 9 forsætter anvendelse af gaslansen ifølge den foreliggende opfindelse, som udsender en ikke-aksesymmetrisk gasprofil, flammen nedad imod strålen 10 og udflåder flammen, så at en ensartet udfladet flamme ved maksimal flammetemperatur dækker opvarmningsemnet og eliminerer uønskelige varme pletter.

Som vist i fig. 8 skaber den kendte glasovn, der anvender konventionelle gaslanser anbragt mellem brænderne 15 og opvarmningsemnet, uønskelige, lokaliserede varme pletter. Nærmere bestemt opvarmes glassmelten 46, der opholder sig i ovnen 40, af flammen 12, der danner en blandingszone 16. Blandingszonen 16 og en aksesymmetrisk strøm af gas og flammen 12 resulterer kun i lokalt forøget varmeoverføring, som 20 bevirker ujævn opvarmning og frembringelse af varme pletter 15, og som endog kan forårsage overhedning af smelten 46.

Som vist i fig. 9 frembringer en ikke-aksesymmetrisk lanse anbragt mellem brænderen og smelten 46 som beskrevet foran i forbindelse med fig. 6B en ikke-aksesymmetrisk blan-25 dingszone 20. Den trykbevirkede deformation af flammen 12 resulterer i en mere ensartet temperaturforøgelse over et større overfladeareal. På denne måde holdes den lokale varme-strøm og dermed den lokale temperatur af opvarmningsemnet ensartet.

30 Det vil let forstås af fagmanden, at aksesymmetriske lanser anvendt ved opvarmning af krumme overflader såsom en roterovn ligeledes frembringer lokaliserede varme pletter. Anvendelsen af en ikke-aksesymmetrisk lanse af den art, der er beskrevet i forbindelse med fig. 4 og 5, er ligeledes 35 effektiv til eliminering af varme pletter på krumme overflader.

12 DK 173281 B1

Det væsentlige er, at det trykfelt, der frembringes af en ikke-aksesymmetrisk højhastigheds- reakt ionshas tigheds-forøgende gasstråle eller -stråler anbragt mellem flammen og opvarmningsemnet, anvendes til a) at placere flammen 5 mere gunstigt i forhold til opvarmningsemnet, b) tilpasse flammefaconen til opvarmningsemnet og c) forøge flammetempe-raturen ensartet over et stort område. Disse fordele fører til et resultat, som er afspejlet ved den væsentlige eliminering af varme pletter. Ydermere er på grund af den forelig-10 gende opfindelse behovet for at manipulere opvarmningsemnet for at kompensere for de lokale varme pletter, der hyppigt dannes i konventionelle ovne, væsentlig reduceret, hvorved der tilvejebringes væsentlige omkostningsbesparelser.

15 EKSEMPEL 1 i Forsøg, der sammenlignede de foreliggende ikke-akse- symmetriske lanser med konventionelle lanser, blev udført på en 9,2 meter lang og 7,1 meter bred kommerciel glaskumme-ovn. Chargeringsmateriale blev indført ved påsætningsenden -Ξ 20 af glaskummen. Efterhånden som chargen blev smeltet, bevægede materialet sig i retning mod halsen. Yderligere raffinering ϊ fandt sted i arbejdsenden. Efter forhærden var glassmelten parat til endelig produktfremstilling. Den fulde glasydelse fra kummen var 150-200 tons pr. dag.

25 Tre brændere, én under hver af de tre porte, sørgede for den nødvendige varme (17,5 gJ pr. time). Den nødvendige luft til forbrænding strømmede gennem en regenerator, portene og over brænderne (underportsfyring). En oxygenlanse var monteret under hver brænder i port nummer tre. Forbrændings-30 gasserne blev udledt gennem overfor liggende porte og regeneratorer. Efter en 15 minutters fyringscyklus fra det ene sæt porte blev fyringssiden reverseret. På denne måde blev en del af forbrændingsgasenergien fra hver foregående cyklus genvundet med regeneratorerne ved forvarmning af forbræn-35 dingsluften.

Oxygenlanser blev monteret under hver af de tre bræn- m m 13 DK 173281 B1 dere i port nummer tre på begge fyringssider. Konventionelle lanser bestod af et rustfrit stålrør med indvendig diameter på 1/4" (6,35 mm). Hver lanse indførte tilnærmelsesvis 315 normalliter oxygen pr. minut ved en gennemsnitshastighed på 5 165 m pr. sek. Dette oxygen sørgede for 4,9 procent af det nødvendige oxygen.

Nye lanser ifølge den foreliggende opfindelse indbefattede en spids med fire højhastighedskanaler, som rettede stråler i et vandret plan på en viftelignende måde, dvs. i 10 en i det væsentlige rektangulær udstrømningsprofil, af den i fig. 3 viste art.

Valger af oxygenstrålespredningsvinklen var baseret på formålene med at tilvejebringe en flammetilpasset mængde oxygen og en rumligt bred lavtrykszone. Valget af lansediame-15 trene var baseret på formålet med at frembringe lavtrykszoner, som styrer positionen, geometrien og den rumlige inten-sificering af flammen. De valgte lanser blev tilpasset til de eksisterende sværoliebrændere. Disse brændere frembragte turbulente diffusionsflammer med strålespredningsvinkler på 20 tilnærmelsesvis 20 grader. Gennemsnitlige hastigheder af de kolde oxygenstråler på tilnærmelsesvis 255 m pr. sek. blev anset for at frembringe tilstrækkelig lave tryk til at imødekomme de ovennævnte formål.

For at vurdere ydelsen af de konventionelle såvel 25 som de ikke-aksesymmetriske lanser foretoges der temperaturmålinger. Der anvendtes to metoder.

For det første tilvejebragte et skannende infrarødt-pyrometer temperaturprofiler langs en ret linie. I alt væsentligt begrænsede infrarødtfeltstop synsfeltet for en 30 rumligt skannende faststofdetektor til en lille fast vinkel (60 usr). Strålingsmålingerne blev omsat til temperaturmålinger under antagelse af sortlegemeopførsel. Den vidt anvendte sortlegemeantagelse begrænser den kvantitative tolkning af dataene på den sædvanlige måde. Uafhængige tem-35 peraturmålinger blev udført under anvendelse af et optisk pyrometer.

14 DK 173281 B1

For det andet anvendtes et videokamera til at opnå kvalitative temperaturmålinger inden i ovnen under fyring og reversering. Generelt er en videokameradetektor ved de typisk høje temperaturer i en ovn nær mætning, og de optagne 5 billeder savner kontrast. De synlige billeder blev imidlertid omdannet til termiske billeder ved anvendelse af et filter med normal tæthed.

Fig. 11A viser en lodret temperaturskanning langs linien B-B i fig. 6B for en brænder og en konventionel lanse 10 af den i fig. 1 viste art. Som vist toppede temperaturen tværs over flammen, og bundtemperaturgradienten var meget stejl. Dette var ventet ud fra indføringen af koldt oxygen til bunddelen af flammen.

Fig. 11B viser en lignende temperaturskanning langs 15 linien B-B i fig. 6B for en brænder og den foreliggende lanse vist i fig. 3. Som vist i fig. 11B forekommer der to temperaturspidser. Den første temperaturspids befinder sig der, hvor hovedflammen udslynges fra brænderen, og den anden temperaturspids er placeret, hvor den plane oxygenlanse er 20 anbragt. Denne anden temperaturspids er resultatet af tiltrækningen af brændbare gasser, oliesmådråber og flammen fra lavtryksfeltet i den plane oxygenstråle. Det er denne stærke virkning, som ikke blev opnået med konventionelle lanser, som muliggør gunstig deformation og positionering 25 af flammen.

Videotermografi af flammerne med konventionelle oxygenlanser viste smalle, blyantslignende varmtemperaturzoner, der resulterede i inhomogene temperaturprofiler i glassmelten som vist i fig. 10A som en følge af lokalt store varmestrøm-3 0 me.

Videotermografi af flammerne med oxygenlansen ifølge den foreliggende opfindelse viste ensartet forbedrede flam-metemperaturprofiler. Fraværet af varme temperaturzoner i flammerne ved den foreliggende fremgangsmåde resulterede i 35 homogene temperaturprofiler i glassmelten som et resultat . af ensartede varmestrømme som vist i fig. 10B.

15 DK 173281 B1

Resultaterne af de forannævnte forsøg er vist i tabel I. Den tredie kolonne i tabel I viser, at ensartetheden af glassmeltetemperaturen er forøget ca. 400 procent ved anvendelse af fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse, 5 Denne virkning er bemærkelsesværdig i betragtning af ovnens store termiske inerti, eftersom ved dette forsøg kun to af de i alt atten brændere var udstyret med oxygenlanser ifølge den foreliggende opfindelse.

Sammenfatning af typiske temperaturprofiler af glassmelte-overflader under reversering.

Tmax - Tmin 15 Forsøg Lansetype Tma (K) Tmin (K) Tc

Kontrol Ingen 1588 1650 0,72 oxygen lanser 20 Kontrol Konvent. 1580 1666 1,00 lanser 1 Ikke-aksesym.

25 lanser (1 cyklus) 1564 1588 0,28 2 Ikke- aksesym. 1675 1697 0,26 30 (24 timer)

Tc * Tmax - Tmin for de konventionelle lanser.

Som det vil ses af de i tabel I tilvejebragte resultater, frembragte de nye fladestrålelanser ifølge den fore-35 liggende opfindelse overraskende betydeligt forbedret ensartethed af temperaturen af glassmelteoverfladen i sammenligning med en konventionel oxygenlanse.

EKSEMPEL 2 40 Virkningen på flammegeornetriudvikling mellem en ikke- -aksesymmetrisk lanse (fig. 2) og en aksesymmetrisk lanse 16 DK 173281 B1 (fig. 1) blev sammenlignet kvantitativt. Til denne sammenligning valgtes en flad oxygenstråle som karakteristisk for en ikke-aksesymmetrisk stråle af en reaktionshastighedforøgende gasblanding. Den flade stråle blev rettet praktisk 5 taget parallelt med en højhastigheds-, til at begynde med aksesymmetrisk, turbulent diffusionsflamme. Den til at begynde med aksesymmetriske, turbulente diffusionsflamme blev frembragt ved antændelse af en højhastighedsstråle af metan, der strømmede ud fra et lille rundt rør. De høje Reynolds 10 tal (Re) ved brænderspidsen er typiske for brænderanlæg af industritype. De særlige driftsbetingelser er anført i tabel II.

Tabel II 15

Gennemsnitl. hastigh. Dimension Funktion Gas (m/s) mm Re 20 Flamme- Luft 0,62 101 diam.

omgivel.

Brænder Metan 54,95 2,6 diam. 8736 25

Rund Oxygen 52,7 1,6 diam. 5261 stråle

Flad Oxygen 52,7 0,25 x 2,6 30 stråle

Temperaturprofilerne_tværs over flammen blev optaget med termofølere i radial (r) retning ved adskillige aksiale (z) steder nedenstrøms for brænderspidsen. Termofølerne 35 bestod af en meget lille (0,05 mm) termofølerperle fremkommet ved sammensvejsning ende mod ende af PtRd6% og PtRd30% tråde. Perlen med lille diameter medførte tilstrækkelig rumlig opløsning. Som det er almindeligt ved forbrændingsforskning var trådene belagt med et glaslignende siliciumoxidlag for 40 at forhindre katalytiske fejl i temperaturmålingerne. Med 17 DK 173281 B1 den velkendte termofølerplaceringsmetode til formindskelse af varmeledningsfej1 var temperaturprofilerne ydermere repræsentative for de sande temperaturprofiler i flammen.

Fig. 12A viser temperaturprofilerne af den umodifice-5 rede, dvs. uden gaslanse, turbulente metandiffusionsflamme ved adskillige steder nedenstrøms for brænderspidsen, hvor: z * afstanden nedenstrøms for brænderspidsen r «* afstanden fra brænderaksen D0 » brænderdiameteren 10 R0 « brænderradien

Driftsbetingelserne er anført i tabel II.

Fig. 12A viser den velkendte karakteristiske ekspansion af de M-formede temperaturprofiler nedenstrøms for brænderen. Efterhånden som gassen bevæger sig nedenstrøms, 15 opvarmes den og reagerer omkring temperaturspidszonerne. De (turbulente) "diffusionsprocesser" og ekspansionen af de varme gasser tenderer til at formindske temperaturgradienterne, efterhånden som flammen bevæger sig nedenstrøms for brænderspidsen. Disse temperaturprofiler tilvejebringer et 20 grundlag for sammenligning med en flamme modificeret med en konventionel aksesymmetrisk lanse og med en ikke-aksesym-metrisk lanse ifølge den foreliggende fremgangsmåde.

Modifikationen af temperaturprofilerne med en aksesymmetrisk oxygenstråle er vist i fig. 12B. Aksen for strålen 25 var placeret 2,37 brænderdiametre til højre for brænderaksen og var rettet praktisk taget parallelt med brænderaksen.

Temperaturspidsen i fig. 12B udviser en drastisk forøgelse i området for oxygenindblæsning. Imidlertid viser temperaturprofilerne mindre temperaturgradienter ved den 30 højre "forreste kantside" af flammen, hvor oxygenet blev indført, ydermere viser en sammenligning af fig. 12A og 12B, at den venstre flammezone er blevet forsat bort fra brænderaksen.

Fig. 12C viser de drastiske ændringer af temperatur-35 profilerne ved anvendelse af lansen ifølge den foreliggende opfindelse. Aksen for den ikke-aksesymmetriske stråle var 18 DK 173281 B1 placeret 2,37 brænderdiametre til højre for brænderaksen og var rettet praktisk taget parallelt med brænderaksen. Ligeledes bibeholdtes som ved den aksesymmetriske lanse den drastiske temperaturforøgelse i forhold til tilfældet uden 5 oxygenindblæsning ved den højre "forreste kantside" af oxygenindføringen gennem måleintervallet.

Imidlertid opnås adskillige vigtige forbedringer af flammeprofilen. Temperaturgradienterne ved den forreste kant er ikke blot tilnærmelsesvis 40 procent større end ved 10 flammen uden lanse men er ca. 50 procent større end ved flammen med åksesymmetrisk lanse. Desuden er flammespredningsvinklen, dvs. vinklen af en ækvivalent kegle dannet af stedet for maksimumtemperaturer i flammen, ca. 50 procent lavere end ved flammen med aksesymmetrisk lanse og ca. 70 15 procent lavere end ved flammen uden lanse. Resultaterne er gengivet i tabel III.

Tabel ITI

Sammenfatning af resultater 20 Turbulent Turbulent Turbulent flamme flamme plus flamme plus aksesymmetrisk flad oxygen- oxygenstråle stråle 25 dT/dr Flamme- dT/dr Flamme- dT/dr Flamme - z/D0 (K/cm) spred- (K/cm) spred- (K/cm) sprednings- nings- nings- vinkel vinkel vinkel 30 _ 200 -362,5 -457,3 250 -259,9 -233,7 -346,5 22,4 13,3 6,8 35 300 -208,9 -193,9 -298,4 Både den aksesymmetriske og den ikke-aksesymmetriske lanse skaber en zone med lavt statisk tryk omkring r/R0 = 4,74, hvor oxygenet indblæses. Som en følge heraf er 40 høj temperaturzonerne på den højre side i de M-formede temperaturprofiler i fig. 12A forsat mod venstre imod r/R0 = 4,74.

19 DK 173281 B1

For den aksesymmetriske lanse er højtemperatursiden til venstre (fig. 12B) forsat yderligere bort fra brænderaksen.

For den ikke-aksesymmetriske lanse er højtemperaturzonen til venstre imidlertid forsat i retning mod zonen med lavt 5 statisk tryk fra oxygenindblæsning som vist i fig. 12C. Den ikke-aksesymmetriske lanse forsætter således ikke kun den højre høj temperaturreaktionszone, men også den venstre højtemperaturzone, hvilket deformerer flammen til en mere gunstig geometri. Som vist i fig. 12C er der ikke blot sket en 10 flammedeformation, men også en forsætning af hele flammen, hvilket tilvejebringer større kontrol over flanmeplaceringen.

Ydermere fremgår det af en sammenligning af fig. 12A og 12B, at spredningen af flammen i retning fra midten af brænderspidsen til midten af lansen er langt mere begrænset 15 ved den ikke-aksesymmetriske lanse. Desuden viser en sammenligning af fig. 12B og 12C, at fremgangsmåden med den ikke--aksesymmetriske lanse er overlegen til opretholdelse af en ønskelig høj temperaturgradient på stedet, hvor oxygenet indføres.

20 EKSEMPEL 3

Virkningen af den samlede forøgelse af flammeforsæt-ning og -deformitet ved det i fig. 7A viste lanse-brænder-arrangement blev bestemt kvantitativt.

25 Oxygen blev valgt som den reakt i onshastigheds forøgende gas og metan som brændstof. Reynoldstallene (Re) ved brænderspidsen er typiske for et brænderanlæg af industriel art.

De særlige driftsbetingelser er anført i tabel IV.

20 DK 173281 B1

Tabel IV

Driftsbetingelser

Gennemsnits- Dimension

Funktion Gas hastighed (m/s (mm) 5 _ _ _ _

Flamme- Luft 0,62 101 diam.

omgivelser 10

Brændstof- Metan 16,1 8,5 x 9,5 dyse

Gasdyse Oxygen 42,1 8,5x7,0 15

Adskillelsen mellem oxygenafgangsporten 31 og brændstofafgangsporten 64 som vist i fig. 7A var 5,1 mm. Det Kartesianske koordinatsystem (akserne X, Y og Z) , der er vist i fig. 7A, har sit begyndelsespunkt placeret i midten 20 mellem oxygenafgangsporten 31 og brændstofafgangsporten 64 ved symmetripunktet i Y-retningen og på forsiden af brænderen .

Der anvendtes lignende fremgangsmåder som beskrevet under eksempel 2. Temperaturprofiler tværs over flammen 25 blev optaget i X-akseretningen tværs over den samlede forøgede flammeflade ved adskillige steder nedenstrøms for brænderen. Resultaterne er angivet i fig. 13.

Som vist i fig. 13 viser målinger foretaget tæt ved brænderen den karakteristiske "M-profil". De lavere tempera-30 turer i midten af profilen er en følge af "koldt" ureageret brændstof. Kort nedenstrøms måltes imidlertid kun en hatlignende profil. Desuden var der praktisk taget ingen flammeudvidelse i X-retningen.

Som vist i fig. 14 er temperaturprofilen på oxygen-35 siden (venstre side i fig. 14) veldefineret, skarp og plan. Isotermerne på brændstofsiden (højre side i fig. 14) viser den stærke tiltrækning af flammen til oxygenstrålen. Den betydelige krumning af isotermerne på brændstofsiden er indikative for det ønskede aerodynamisk reducerede tryk-40 felt, som styrer den gunstige positionering og ønskede facon af flammen.

a

Claims (11)

21 DK 173281 B1 Patentkrav.

1. Apparat til at tilvejebringe relativt ensartet varmeoverføring til en overflade og omfattende: en brænder (44) der tilvejebringer en flamme, som 5 strækker sig over overfladen og en gaslanse (4) med udløbsorganer (5) til udsendelse af en stråle af reaktionshastighedsforøgende gas og som er placeret til at danne et aerodynamisk reduceret tryk, som forsætter flammen imod overfladen, kendetegnet 10 ved, at udløbsorganer (5) har en ikke cirkulær form og divergerer i den aksiale retning, for derved at udsende en flad, ikke cirkulær stråle, således at flammen udstrækkes på tværs og gøres flade.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet 15 ved, at lansen (4) omfatter et legeme (6) med en indløbsende (7) for modtagelse af en reaktionshastighedsforøgende gas fra en kilde for denne, og en modsat beliggende udløbsende (5) i strømningsforbindelse med indløbsenden via en passage, hvori udløbsorganerne (5) har en rektangulær åbning (9) , 20 idet de længste sider i rektanglet er placeret hovedsageligt på tværs langs den overflade, som skal opvarmes.

3. Apparatur ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lansen (4) omfatter et legeme (6) med en indløbsende (7) for modtagelse af en reaktionshastighedsforøgende gas 25 fra en kilde herfor, og modsat placerede udløbsorganer (5) i strømningsforbindelse med indløbsenden via en passage og udløbsorganerne har en ellipsoideformet åbning, idet lansen (4) er placeret således, at ellipsoidens hovedakse strækker sig hovedsageligt horisontalt.

4. Apparatur ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lansen (4) omfatter adskillige gasudsendende kanaler (32) med udløb således, at en vifteformet stråle af reaktionshastighedsforøgende gas udsendes.

5. Apparatur ifølge krav 2 eller krav 3, k e n d e-35 tegnet ved, at brænderen (44) har et udløb for brændstof, som definerer en åbning med i hovedsagen samme form DK 173281 B1 22 som åbningen ved udløbet fra lansen.

6. Apparatur ifølge ethvert af kravene 2 til 4, kendetegnet ved, at brænderen (44) har et udløb for brændstof, som definerer en ikke cirkulær åbning.

7. Apparatur ifølge ethvert af de foregående krav, hvori aksen for gaslansen (4) strækker sig parallelt med aksen for brænderen (44).

8. Fremgangsmåde til opvarmning af en overflade, omfattende afbrænding af et brændstof for tilvejebringelse 10 af en flamme, som strækker sig på tværs langs og over overfladen og tilførsel af en stråle af hastighedsforøgende gas imellem flammen og overfladen for tilvejebringelse af et aerodynamisk reduceret trykfelt, for derved at deformere flammen og forsætte denne imod overfladen, kendete g-15 net ved, at strålen er flad, divergerende i aksial retning og ikke cirkulær og udvider flammen på tværs langs overfladen og gør denne flad, hvorved mere ensartet opvarmning af overfladen fremmes.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, kendete g-20 net ved, at strålen er både bred og relativt flad.

10. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 8 eller 9,kendetegnet ved, at strålen divergerer i et hovedsageligt horisontalt plan.

11. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 8 til 25 10,kendetegnet ved, at den hastighedsforøgende gas er oxygen.