ES2211430T3 - Metodo para cambiar la longitud de un chorro coherente. - Google Patents
Metodo para cambiar la longitud de un chorro coherente.Info
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Abstract
Un método para cambiar la longitud de un chorro coherente que comprende: (A) proporcionar gas principal en una corriente de gas principal a un caudal de gas principal, proporcionar combus tible gaseoso a un primer caudal de combustible gaseoso, y quemar combustible gaseoso con oxidante para formar una envoltura (23) de llama coaxial con la corriente de gas principal para establecer un chorro coherente (20) que tiene una primera longitud; y luego (B) proporcionar gas principal en una corriente de gas principal a un caudal de gas principal, proporcionar combus tible gaseoso a un segundo caudal de combustible gaseoso que difiere del primer caudal de combustible gaseoso, y quemar combustible gaseoso con oxidante para formar una envoltura (23) de llama coaxial con la corriente de gas principal para establecer un chorro coherente (20) que tiene una segunda longitud que difiere de la primera longitud; caracterizado porque se añade gas inerte al combustible gaseoso proporcionado en el segundo caudal de combustible gaseoso.
Description
Método para cambiar la longitud de un chorro
coherente.
Esta invención se refiere en general a la
tecnología de chorro coherente.
Un avance significativo reciente en el campo de
la dinámica de los gases es el desarrollo de tecnología de chorro
coherente que produce un chorro de gas similar a un láser que puede
desplazarse una gran distancia al tiempo que mantiene aún
sustancialmente toda su velocidad inicial y con un aumento muy
pequeño de su diámetro de chorro. Un uso comercial muy importante de
la tecnología de chorro coherente, tal como se muestra por ejemplo
en el documento EP-A-0866138, es
para la introducción de gas dentro de un líquido, tal como metal
fundido, con lo que el inyector de gas puede separarse a gran
distancia respecto de la superficie del líquido, permitiendo un
funcionamiento más seguro así como una operación más eficiente dado
que penetra mucho más gas dentro del líquido de lo que es posible
con la práctica convencional en la que la mayor parte del gas se
aparta de la superficie del líquido y no entra en el líquido.
En algunas circunstancias es deseable cambiar la
longitud del chorro coherente, tal como su longitud desde el
inyector de gas hasta la superficie del líquido. Esto se puede hacer
cambiando la elevación del inyector de gas, es decir, poniéndolo más
cerca de la superficie del líquido o más lejos de la misma, pero
esto es engorroso y lleva mucho tiempo. Asimismo es posible cambiar
la longitud del chorro coherente cambiando las dimensiones de la
boquilla del inyector de gas pero, de nuevo, esto no es conveniente.
Además, es posible cambiar la longitud del chorro coherente
cambiando el caudal de gas que comprende el chorro coherente. Sin
embargo, semejante práctica puede ser indeseable dado que puede
afectar potencial y adversamente todo el procedimiento, por ejemplo,
el refinado de metal, en el que se está empleando la tecnología de
chorro coherente.
Otro método para cambiar la longitud de un chorro
coherente se muestra en el documento
US-A-3.427.151, cuyo método
comprende:
(A) proporcionar gas principal en una corriente
de gas principal como caudal de gas principal, proporcionar
combustible gaseoso a un primer caudal de combustible gaseoso y
quemar combustible gaseoso con oxidante para formar una envoltura de
llama coaxial con la corriente de gas principal para establecer un
chorro coherente que tiene una primera longitud; y luego
(B) proporcionar gas principal en una corriente
de gas principal a un caudal de gas principal, proporcionar
combustible gaseoso a un segundo caudal de combustible gaseoso que
difiere del primer caudal de combustible gaseoso y quemar
combustible gaseoso con oxidante para formar una envoltura de llama
coaxial con la corriente de gas principal para establecer un chorro
coherente que tiene una segunda longitud que difiere de la primera
longitud.
Es un objeto de esta invención proporcionar un
método para cambiar la longitud de un chorro coherente sin necesidad
de cambiar el equipo utilizado para producir el chorro coherente y
también sin necesidad de cambiar cualquier otro aspecto, tal como el
caudal, del gas que compone el chorro coherente.
Los objetos anteriores y otros, que serán
evidentes para los versados en la técnica tras la lectura de esta
descripción, se obtienen por la presente invención, que es:
un método para cambiar la longitud de un chorro
coherente según se define en la reivindicación 1.
Según se emplea aquí, el término "chorro
coherente" significa un chorro de gas que tiene un perfil de
velocidad para una distancia considerable aguas abajo de la boquilla
desde la cual se ha expulsado, que es similar al perfil de velocidad
que tiene tras la eyección desde la boquilla.
Según se utiliza aquí, el término "anular"
significa que tiene la forma de un anillo.
Según se usa aquí, el término "envoltura de
llama" significa una corriente de combustión anular coaxial con
la corriente de gas principal.
Según se emplea aquí, el término "longitud"
cuando hace referencia a un chorro de gas coherente significa la
distancia respecto de la boquilla desde la que se expulsa el gas
hacia el punto de impacto deseado del chorro de gas coherente o
hacia donde el chorro de gas deja de ser coherente.
La figura 1 es una vista en sección transversal y
la figura 2 es una cabeza a la vista de una realización de una punta
de lanza que se puede utilizar como inyector de gas para la práctica
de esta invención.
Las figuras 3 y 4 ilustran el funcionamiento de
la invención en la que se cambia la longitud del chorro coherente.
Los números de las figuras son los mismos para los elementos
comunes.
La figura 5 es una representación gráfica de
resultados experimentales que demuestran el funcionamiento de la
invención.
La invención se describirá en detalle con
referencia a los dibujos.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, el gas
principal se hace pasar a través de un pasadizo central 2 de una
lanza 1 de chorro coherente, luego a través de una boquilla 50
convergente/divergente y luego fuera de la lanza 1 a través de la
abertura 11 de boquilla para formar una corriente de gas principal.
Típicamente la velocidad de la corriente de gas principal está
dentro del intervalo de 1000 a 8000 pies por segundo (fps), y el
caudal de la corriente de gas principal está dentro del intervalo de
10.000 a 2.000.000 pies cúbicos por hora (CFH).
Puede usarse cualquier gas efectivo como el gas
principal en la práctica de esta invención. Entre tales gases se
pueden nombrar oxígeno, nitrógeno, argón, dióxido de carbono,
hidrógeno, helio, vapor y gases de hidrocarburos. Se pueden usar
también mezclas que comprendan dos o más gases, por ejemplo, aire,
como el gas principal en la práctica de esta invención. Un gas
particularmente útil para uso como gas principal en la práctica de
esta invención es el oxígeno gaseoso que puede definirse como un
fluido que tiene una concentración de oxígeno de al menos un 25 por
ciento en moles. El oxígeno gaseoso puede tener una concentración de
oxígeno que supere el 90 por ciento en moles y puede ser oxígeno
comercial que esencialmente es oxígeno puro.
El combustible gaseoso, tal como metano, gas
natural o líquido atomizado, por ejemplo petróleo atomizado, se
proporciona a través de la lanza 1 bien en el pasadizo 3 o el
pasadizo 4, cada uno de los cuales está separado radialmente
respecto del pasadizo central 2 y es coaxial con el mismo.
Preferiblemente, el combustible gaseoso se proporciona por el
pasadizo a través del pasadizo coaxial más interior 3. El
combustible gaseoso sale fuera de la lanza 1 a través de la boquilla
7 u 8 preferiblemente, como se muestra en la figura 1, en la cara 5
de la lanza nivelada con la abertura de la boquilla 50. Cada
abertura de las boquillas 7 y 8 podría ser una abertura anular
alrededor de la abertura 11 o preferiblemente, según se muestra en
la figura 2, cada una es un anillo de agujeros 9 y 10 alrededor de
la abertura 11 de la boquilla. El combustible gaseoso es proyectado
fuera de la lanza 1 a una velocidad que es preferiblemente menor que
la velocidad del gas principal y generalmente dentro del intervalo
de 100 a 1000 fps.
El combustible gaseoso se quema con el oxidante
para formar una envoltura de llama alrededor y a lo largo del chorro
coherente. El oxidante puede ser aire, aire enriquecido con oxígeno
que tiene una concentración de oxígeno que supera la del aire, u
oxígeno comercial que tiene una concentración de oxígeno de al menos
99 por ciento en moles. Preferiblemente, el oxidante es una fluido
que tiene una concentración de oxígeno de al menos un 25 por ciento
en moles. El oxidante puede proporcionarse para combustión con el
combustible gaseoso de cualquier manera efectiva. Una disposición
preferida, que se ilustra en las figuras 1 y 2, implica proporcionar
el oxidante a través del pasadizo coaxial, bien el pasadizo 3 o el
pasadizo 4, que no se usa para la provisión de combustible gaseoso.
Esto da como resultado que el combustible gaseoso y el oxidante
interactúen y se quemen para formar la envoltura de llama tras sus
respectivas expulsiones de la lanza 1.
La envoltura de llama alrededor de la corriente
de gas principal sirve para evitar que el gas ambiente sea absorbido
por la corriente de gas principal, evitando así que la velocidad de
la corriente de gas principal disminuya significativamente y
evitando que el diámetro de la corriente de gas principal aumente
significativamente, durante la longitud deseada de la corriente de
gas principal hasta que ésta alcanza el punto de impacto deseado,
tal como la superficie de una piscina de metal fundido. Es decir, la
envoltura de llama sirve para establecer y mantener la corriente de
gas principal como un chorro coherente durante la longitud del
chorro.
La invención permite cambiar la longitud del
chorro coherente sin necesidad de hacer ningún cambio de equipo, tal
como cambiar la boquilla del gas principal o cambiar la distancia
entre la punta de la lanza y el punto de impacto deseado, y también
sin necesidad de cambiar el caudal del gas principal. En la práctica
de esta invención cuando se desea cambiar la longitud del chorro
coherente de la longitud existente, es decir, la primera longitud, a
otra longitud, es decir, la segunda longitud, todo lo que es
necesario hacer es cambiar el caudal del combustible gaseoso del
utilizado para producir la envoltura de llamas asociada con la
primera longitud, es decir, el primer caudal de combustible gaseoso,
a un segundo caudal de combustible gaseoso. Un aumento del caudal de
combustible gaseoso desde el caudal de combustible gaseoso primero
al segundo aumentará la longitud del chorro coherente desde la
primera longitud hasta la segunda longitud y una disminución del
caudal de combustible gaseoso desde el caudal de combustible gaseoso
primero al segundo disminuirá la longitud del chorro coherente desde
la primera longitud hasta la segunda longitud.
Las figuras 3 y 4 ilustran el funcionamiento de
la invención en la que el chorro coherente 20 tiene una primera
longitud, mostrada en la figura 3, que supera su segunda longitud,
mostrada en la figura 4. Generalmente, la longitud del chorro
coherente es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada del
caudal de combustible gaseoso. Las figuras 3 y 4 también ilustran
una realización particularmente preferida en la que se utiliza una
prolongación para ayudar a la formación de la envoltura de llama. La
prolongación 21, que tiene una longitud generalmente dentro del
intervalo de 0,5 a 6 pulgadas, se extiende desde la cara extrema 5
de la lanza que forma un volumen 22 con el cual se comunican la
abertura de salida 11 de la boquilla y los medios de expulsión
anulares 7 y 8, y dentro del cual se forman inicialmente cada chorro
de gas y cada envoltura de llama 23 alrededor del chorro de gas
principal 20. El volumen 22 formado por la prolongación 21 establece
una zona protectora que sirve para proteger la corriente de gas
principal y el combustible y oxidante inmediatamente después de su
salida del extremo de la lanza, ayudando así a lograr coherencia en
el chorro de gas principal. La zona protectora induce la
recirculación del combustible y el oxidante alrededor del chorro de
gas principal.
Se presentan los siguientes resultados de ensayos
para ejemplificar e ilustrar adicionalmente la invención. Los
resultados no pretenden ser limitativos. En estos ejemplos se
utilizó una lanza similar a la ilustrada en las figuras 3 y 4 para
establecer chorros coherentes. La boquilla del gas principal era una
boquilla convergente/divergente con un diámetro de orificio de 0,62
pulgadas y un diámetro de salida de 0,81 pulgadas. El gas principal
era oxígeno comercial y se expulsó desde la lanza con un caudal de
36.000 pies cúbicos por hora (CFH) con una presión de suministro de
100 libras de presión manométrica por pulgada cuadrada (psig). El
combustible gaseoso era gas natural suministrado a través de un
pasadizo más interior y se expulsó desde la lanza a través de 16
agujeros, teniendo cada uno un diámetro de 0,154 pulgadas sobre un
círculo con un diámetro de 2 pulgadas en la cara de la lanza. El
oxidante que se quema con el combustible gaseoso para formar la
envoltura de llamas era oxígeno comercial y se suministró a través
del pasadizo más exterior y se expulsó desde la lanza a través de 16
agujeros, teniendo cada uno un diámetro de 0,199 pulgadas sobre un
diámetro de 2,75 pulgadas en la cara de la lanza. El caudal de este
oxígeno se mantuvo constante durante los ensayos, dado que se cambió
el caudal del combustible gaseoso. La lanza también tenía una
prolongación de 2 pulgadas de largo en su periferia para proteger
los gases tras su expulsión desde la lanza. El chorro coherente
tenía una velocidad supersónica de aproximadamente 1600 pies por
segundo.
La longitud del chorro coherente establecida por
los parámetros antes descritos se midió para un caudal de
combustible gaseoso dado y se registraron los resultados. El caudal
de combustible gaseoso se cambió entonces, es decir, a un segundo
caudal de combustible gaseoso, y se midió y se registró la nueva
longitud del chorro coherente, es decir, la segunda longitud. Los
resultados se muestran en la figura 5 como curva A. En la figura 5,
la longitud del chorro coherente se mide sobre el eje vertical y el
caudal de combustible gaseoso se mide sobre el eje horizontal.
Según se puede ver en la curva A, se puede aumentar la longitud del
chorro coherente aumentando el caudal de combustible gaseoso y se
puede disminuir la longitud del chorro coherente disminuyendo el
caudal del combustible gaseoso.
Al ir de 0 a 5000 CFH de gas natural (figura 5),
el aumento de la longitud del chorro coherente es inicialmente muy
acusado y luego se hace gradual. De 0 a 1000 CFH de gas natural, la
longitud del chorro coherente aumenta de 9 a 28 pulgadas, un aumento
de 19 pulgadas (más de un 200%). Con un aumento adicional de 4000
CFH de gas natural (yendo de 1000 a 5000 CFH de gas natural), la
longitud del chorro coherente aumenta de 28 a 46 pulgadas, un
aumento de 18 pulgadas (aproximadamente un 65% más).
La figura 5 también muestra los resultados
obtenidos con una realización preferida de la invención que también
sirve para ilustrar la naturaleza inesperada de la invención. Se
repitió el procedimiento descrito anteriormente, excepto en que el
caudal de combustible gaseoso se redujo con el fin de que ser
inferior a 5000 CFH, y se añadió gas inerte, que este ejemplo era
gas nitrógeno, al combustible de modo que el caudal total del
combustible gaseoso y el gas inerte equivalía a 5000 CFH. Los
resultados de este grupo de ensayos se muestran en la figura 5 como
curva B. Según se puede ver, los resultados del funcionamiento de la
invención con el relleno de gas inerte son esencialmente los mismos
que los resultados cuando no se emplea gas inerte. Esto demuestra
que el control de la longitud del chorro coherente por la
manipulación del caudal de combustible gaseoso no es simplemente un
efecto físico provocado por el cambio de caudal del fluido que fluye
junto a la corriente de gas principal, ya que se logra el mismo
control cuando el caudal del fluido que fluye junto a la corriente
de gas principal permanece constante (curva B).
Los resultados mostrados en la curva B de la
figura 5 sirven no sólo para demostrar la naturaleza inesperada de
la invención, sino también sirven para ejemplificar una realización
preferida de la invención. Con caudales bajos de combustible
gaseoso, los agujeros a través de los que se expulsa el combustible
podrían atascarse u obturarse de cualquier manera. Utilizando el gas
inerte de relleno con el combustible gaseoso, se puede mantener un
alto caudal total de combustible y gas inerte con el fin de
contrarrestar cualquier obstrucción potencial sin, como se
demuestra por los ensayos presentados en la figura 5, sacrificar
ningún control sobre la longitud del chorro
coherente.
coherente.
Se puede utilizar cualquier número adecuado de
chorros coherentes en la práctica de esta invención. Cuando se
utiliza más de un chorro coherente en una aplicación industrial, el
método de esta invención puede usarse para cambiar la longitud de
uno de cualquier número, incluyendo todos, de los chorros
coherentes. Por ejemplo, en un horno de oxígeno básico que emplea
cuatro chorros coherentes, el caudal de combustible gaseoso para
todas las lanzas puede cambiarse con el fin de cambiar
simultáneamente la longitud de todos los chorros coherentes.
Ahora, con el uso de esta invención, se puede
cambiar rápida y precisamente la longitud de un chorro coherente sin
necesidad de realizar ningún cambio de equipo o sin cambiar el
caudal del gas que constituye el chorro coherente. Aunque la
invención se ha descrito en detalle con referencia a ciertas
realizaciones preferidas, los versados en la técnica reconocerán que
hay otras realizaciones de la invención dentro del alcance de las
reivindicaciones. Por ejemplo, en donde el combustible gaseoso
empleado es un líquido atomizado, también se pueden emplear unos
medios para proporcionar gas atomizante al combustible.
Claims (9)
1. Un método para cambiar la longitud de un
chorro coherente que comprende:
(A) proporcionar gas principal en una corriente
de gas principal a un caudal de gas principal, proporcionar
combustible gaseoso a un primer caudal de combustible gaseoso, y
quemar combustible gaseoso con oxidante para formar una envoltura
(23) de llama coaxial con la corriente de gas principal para
establecer un chorro coherente (20) que tiene una primera longitud;
y luego
(B) proporcionar gas principal en una corriente
de gas principal a un caudal de gas principal, proporcionar
combustible gaseoso a un segundo caudal de combustible gaseoso que
difiere del primer caudal de combustible gaseoso, y quemar
combustible gaseoso con oxidante para formar una envoltura (23) de
llama coaxial con la corriente de gas principal para establecer un
chorro coherente (20) que tiene una segunda longitud que difiere de
la primera longitud;
caracterizado porque se añade gas inerte
al combustible gaseoso proporcionado en el segundo caudal de
combustible
gaseoso.
2. El método de la reivindicación 1, en el que el
segundo caudal de combustible gaseoso es mayor que el primer caudal
de combustible gaseoso y la segunda longitud es mayor que la primera
longitud.
3. El método de la reivindicación 1, en el que el
segundo caudal de combustible gaseoso es menor que el primer caudal
de combustible gaseoso y la segunda longitud es menor que la primera
longitud.
4. El método de la reivindicación 1, en el que el
gas principal es oxígeno gaseoso.
5. El método de la reivindicación 1, en el que el
gas inerte es gas nitrógeno.
6. El método de la reivindicación 1, en el que el
gas inerte se proporciona a un caudal de gas inerte tal que la suma
del caudal de gas inerte y del segundo caudal de combustible
gaseoso es sustancialmente igual al primer caudal de
combustible
gaseoso.
gaseoso.
7. El método de la reivindicación 1, en el que se
añade gas inerte a un primer caudal de gas inerte al combustible
gaseoso proporcionado al primer caudal de combustible gaseoso, y se
añade gas inerte a un segundo caudal de gas inerte al combustible
gaseoso proporcionado al segundo caudal de combustible gaseoso.
8. El método de la reivindicación 1, en el que se
emplean una serie de chorros coherentes y se cambia el caudal de
combustible gaseoso para cada uno de dichos chorros coherentes de
modo que se cambie la longitud de cada chorro coherente citado.
9. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxidante para combustión con el combustible gaseoso para formar la
envoltura de llama se proporciona a un caudal durante el paso (A)
que es sustancialmente el mismo que el caudal al cual se proporciona
durante el paso (B).
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