JP2735610B2

JP2735610B2 - ガス噴射方法および装置

Info

Publication number: JP2735610B2
Application number: JP1081328A
Authority: JP
Inventors: ルー・ティアイ・ヤップ
Original assignee: BII OO SHII GURUUPU Inc ZA
Current assignee: BII OO SHII GURUUPU Inc ZA
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: IE891033L; IE65733B1; DK157289D0; CA1337097C; EP0335728B1; JPH01300109A; EP0335728A3; DE68918485T2; ATE112377T1; AU613725B2; AU3166589A; DK157289A; DE68918485D1; DK173281B1; EP0335728A2

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、新型のガス噴射ランスを使用する熱負荷に
対する熱伝達を最適化する改善された方法と、特に直熱
方式におけるバーナーを備えたあるいはバーナーの一部
として組込まれたガス噴射ランスの構成に関する。本発
明による反応速度増強ガスの導入は、望ましくないホッ
トスポット（hot spot）を避けながら、均一な制御され
た強化熱伝達をもたらす。本発明の方法および装置は、
結果として好ましい火炎増強、火炎形状変形および火炎
位置調整をもたらす。

〔従来の技術および解決しようとする課題〕

一般に、直熱による工業プロセス、例えばガラスの製
造における効率は、熱伝達の仕組みにより制約を受け
る。熱伝達は、火炎の付近のおける熱負荷に対しては比
較的効率がよい。しかし、実際の用途においては、熱負
荷は効率のよい熱伝達のために望ましいような火炎の周
囲に同心状に配置されない。その代り、ほとんどの熱負
荷は、ガラス／融解生成物炉内のガラス／融解生成物の
水平面の如き平坦あるいはやや湾曲した面、ボイラーに
おけつ熱交換器の垂直壁面、あるいはロータリーキルン
炉における粒状物質の装填材料の湾曲面を介して熱流束
を受ける。

反応速度増強ガスを添加することが直熱方式の熱伝達
を改善することは公知である。本文に用いられる如き用
語「反応速度増強ガス」とは、確実な方法で所要の反応
に影響を及ぼすことになるガス、例えば酸素、濃縮酸素
空気、酸素およびアセチレンの如き他のガスの混合物、
等を含む。これは、火炎温度およびこれによる火炎から
熱負荷への熱伝達が増加されることになるためである。
更に、燃焼系統を流れる窒素の減少が排気損失を減衰さ
せる。

反応速度増強ガスの添加は熱伝達効率を増大させる
が、バーナーと、反応速度増強ガスを燃焼系統へ伝達す
るため使用されるパイプ即ちランスとの相対的配置を変
えることにより熱伝達を改善する努力がなされてきた。
従来においては、典型的にはランスの放出ポートをバー
ナーに隣接して配置させた軸対称型ランスを介して酸素
噴流を火炎と熱負荷との間に導入される。本文において
用いられる如き用語「軸対称」とは、ガス噴流あるいは
火炎の流れの長手方向軸心と直角にされたランスまたは
バーナーからの流出地点におけるガス噴流または火炎の
断面が実質的に円形状を呈することを意味する。「非軸
対称」とは、この断面が実質的に非円形状を呈すること
を意味する。

このような方式においては、軸対称ランスを用いて酸
素を導入することの結果、火炎の全長に沿って狭い鉛筆
形状の高温度区域を形成することになる。熱負荷に対す
る熱流束は、火炎の残部からよりも酸素増強区域からの
方が大きい。その結果、熱負荷は高温に局在化された熱
流束に対して露呈され、その結果従来から「ホットスポ
ット」と呼ばれる熱負荷における不均一に加熱された領
域を生じる。不均一な加熱は、炉の効率および能力を制
約しかつ製品の品質に悪影響を及ぼす。

熱伝達を改善する別の方法は、Bienus等の米国特許第
4,444,586号に開示されている。軸対称の酸素／燃料ラ
ンスが、銅を融解するための反射炉内の融解面に対し直
角に指向され、火炎が頭部を銅の一部と接触する状態と
なるようにする。火炎は、（同心状の）同心環状の酸素
供給を行なう軸対称油噴霧器によって生じる。この装置
は、銅に対する火炎衝突領域に対してごく局部的な増強
された熱伝達を生じるに過ぎない。

反応速度増強ガスの噴流における平均的な静止圧力は
周囲圧力よりも低く、どれだけ低くなるかは噴流の密度
および速度に依存する。このような観察は、支配する運
動量方程式の定量的な分析から得ることができる。

工業炉内に生じる略々全ての火炎は、実質的に等圧状
である（マッハ数が小さい）。このことは、火炎厚さの
大きさの長手方向の目盛上で火炎を横切る流れに焦点を
合わせることにより確認することができる。このような
分析においては、火炎の曲りは例え渦流火炎の場合でも
無視することができる。標準的な大きさの程度の分析
が、火炎の両側の圧力降下に対する粘性効果もまた無視
できるという結論に導く。

本出願人は、濃密な（低温）噴流により生じる低下し
た静圧力界が等圧のより小さな濃度のホットフレーム
（hot flame）を有効に変位させ変形させ得ることを発
見した。この噴流を熱負荷と火炎間に適当に配置するこ
とにより、また非軸対称噴流を用いることにより、火炎
は比較的低温の噴流により生じる低い静圧力界に対して
引寄せられる。火炎はまた、この低温噴流の比較的軸対
称形状に向けて変形される。その結果、更に良好な火炎
の位置および形状制御をもたらし、これがホットスポッ
トを形成することなく熱負荷全体に対して熱を伝達する
火炎の効率を向上させる。

一般に周知である本文に使用される如き用語「バーナ
ー」とは、燃料あるいは酸化剤と組合せた燃料を放出す
る装置を記述する。ランスは、前記バーナーにより生成
された火炎に対して所要の近さにおいて反応速度増強ガ
スを放出する。

本発明により開示されるバーナーは、燃料のみかある
いは酸化剤と組合せた燃料を放出する燃料の出口のみで
はなく、反応速度増強ガスが放出されるガス・ランスを
も含む。

いずれの場合も、本発明の所要の目的は、上記の斬新
なランス／バーナーの組合せまたは斬新なバーナーの使
用により達成できる。

更に、非軸対称形状の燃料出口即ちバーナー出口を使
用することができ、ランスと類似する形状を有すること
が望ましい。その結果、燃料ならびにガスの噴流の運動
量および相対的な火炎方向は、火炎の位置、形状および
温度に対する更に大きな制御を可能にし、これが従来の
ランスを用いた装置および手法に勝る更に好ましい熱伝
達特性を招来する。

従って、本発明の目的は、改善されたランス／バーナ
ー装置の使用により熱負荷の加熱を更に均一に強化する
方法の提供にある。

予めの別の目的は、非軸対称輪郭のガスを放出して軸
対称または非軸対称の火炎と相互に作用することがで
き、これにより火炎を変形しかつ変位させ、熱負荷全体
に対するその熱伝達効率を向上させるランス単独、また
は燃料バーナーとの組合せ、あるいはバーナーの一部と
して内蔵されるランスの提供にある。

本発明の更に別の目的は、ホットスポットを形成する
ことなく熱負荷を均一に加熱することができる火炎を生
じるランス／バーナーの組合せの提供にある。

本発明の他の目的は、ランスを含むバーナーの使用に
より所要の特性を持った火炎を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、熱負荷を均一に網羅しかつ
公知の燃焼系統よりも熱伝達が更に効率のよい火炎を生
じることができるランス／バーナーの組合せ、あるいは
バーナーの一部として内蔵されたランスを備えたバーナ
ーを含む炉の提供にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、流入端部を有する反応速度増強ガスを放出
し、非軸対称の遠端部即ちガスの流出端部で終るランス
を用いた熱負荷に対する熱伝達を増強する方法に関す
る。前記流出端部は、流入端部よりもかなり広い開口を
有し、前記ガスの非軸対称的な流出を生じる平坦な輪郭
を有する。

特に、このランスは、流入端部と、非軸対称輪郭を有
する流出端部と、これら流入端部および流出端部を結合
する通路とを有する。流出端部の出口は、最も外側の対
向する地点を通る面がランスおよびバーナーを二等分す
る面に対して平行でないように最も外側の１対の対向地
点により画成される。このように、火炎およびガス噴流
は、最適な火炎の変形および変位が得られるように指向
されている。

本発明の斬新なランスは、従来の軸対称バーナー、あ
るいはランスの形状と類似する形状を有することが望ま
しく、これにより均一な熱伝達を生じるため更に容易に
用いられる湾曲しあるいは平坦な火炎を生じる非軸対称
バーナーと共に使用することができる。前に示したよう
に、このランスはバーナーの一部とすることができ、従
ってこのランスは燃料単独、あるいは本発明の範囲内で
酸化剤、例えば酸素あるいは空気と組合せた燃料を放出
する軸対称または非軸対称の燃料出口と組合せることが
できる。

本発明はまた、加熱される大きな面、即ち熱負荷に対
して均一に増強された熱伝達を提供する装置に関し、そ
の構成は、従来の形態即ち非軸対称的な形態でバーナー
の長手方向軸心に略々沿って延在する火炎を提供するバ
ーナーと、このバーナーあるいはバーナーの燃料出口と
熱負荷との間に置かれたガス放出ランスとからなり、こ
のガス放出ランスは上記の同様に非軸対称形状の流出端
部を有する。このランスは、バーナーと熱負荷との間に
あり、ガスの噴流が熱負荷を均等に加熱するように火炎
を変形させ変位させることを保証するように火炎に対し
て配置される。

非軸対称なガス噴流は、火炎と熱負荷との間に空気力
学的に減殺された静圧力界を形成する。この減殺された
圧力界は、火炎をガス噴流に向けて吸引し、即ち火炎を
変位させる。従って、例えば、ガス噴流を熱負荷の近く
に指向することにより、火炎は熱負荷に対し近くに配置
することができる。更に、非軸対称流は火炎を側方に変
形して更に均一な温度特性を有する高温の平坦な火炎を
生じる。これらの所要の特性は、バーナー即ちバーナー
の燃料出口にも非軸対称的輪郭が与えられる時、特にバ
ーナーの燃料出口の形状がランスのそれと類似する時、
更にいっそう明瞭となる。

ランスは、ガスが流過する貫通路を有する。この通路
は、単一の非軸対称チャネル、あるいは１つ以上のチャ
ネルが軸対称断面を持ち得る複数のチャネルでよい。各
場合においては、ランスから流出するガス流は、非軸対
称的な輪郭を呈さなければならない。

例えば、ランスの流出端部は、矩形状または楕円形状
の断面を呈するものでよい。矩形状の流出端部は、平坦
な加熱面を備えた従来の高温炉において使用されること
が望ましいが、楕円形状の流出端部は特に熱負荷の表面
が湾曲しているロータリーキルンにおける使用に適して
いる。

バーナー即ち燃料出口はどんな非軸対称輪郭を持つよ
うに構成することができるが、ランスの形状に類似する
形状を持つことが望ましい。一致する形状は、火炎とガ
ス噴流との間に最適な接触をもたらし、これにより最適
な対流および輻射熱伝達を誘起する。

当業者には、バーナーから離れた地点において、火炎
の浮揚と速度の減衰の組合せの結果として垂直方向に向
かない火炎のある程度の変形が生じ得ることが明らかで
あろう。火炎の自然な変形が生じるバーナー出口からの
距離は、フルード（Froud）数の如き要因に依存してい
る。本方法により生じる火炎の形状については自然な変
形が生じる場所の上流側の火炎を見ればよいことを理解
すべきである。

本発明はまた、本発明のガス放出ランスを含み熱負荷
を均一に加熱することができる前記炉内に延在する火炎
を生じる少なくとも１つのバーナー・システムを含む高
温炉にも関するものである。

同じ参照番号が類似の部分を示す下記の図面は本発明
の実施態様の例示であり、頭書の特許請求の範囲で包含
される如き本発明の範囲を限定することを意図するもの
ではない。

〔実施例〕

現在のガス・ランス操作技術は、ランスを火炎と熱負
荷との間に位置させている。この目的のため用いられる
軸対称ランスは、火炎を熱負荷の方向に強制しない。

第１図に示されるように、典型的な従来技術のガス・
ランス１は、軸対称の流入端部3aと流出端部3bとの間に
形成された略々円筒状の胴部１を有し、このためランス
１は略々円筒状のパイプ形状を呈する。

対照的に、本発明の方法において使用される新しいガ
ス・ランスは、非軸対称的であることにより非軸対称的
なガス流の放出を結果としてもたらす流出端部を有す
る。

第２図においては、本発明のランス４の一実施例が、
流入端部７と、流出ポート９を持つランス先端部５に結
合された反対側端部８とを備えた軸対称胴部６を有す
る。このランスの先端部５は、胴部６の反対側端部８か
らガス出口まで軸方向において非軸対称的に拡大して、
流入端部７よりかなり広く平坦な略々矩形状の輪郭を呈
する流出ポート９を提供する。この流出ポート９は、ラ
ンス先端部５の両端部に位置された１対の基準点80およ
び82を有し、これらは以下に説明する如く火炎の最適な
変位および変形を生じるようにバーナーに対してランス
４を定置するため用いられる。先端部５により放出され
る反応速度増強ガス、例えば酸素の噴流は、非軸対称的
であり流出ポート９の略々矩形状輪郭と一致する。

動作においては、ガスは軸対称の輪郭の流入端部７か
ら胴部６を流過する。ガスが先端部５に流入すると、先
端部５の非軸対称形状を呈して、流出ポート９から出る
非軸対称的なガスの平坦状の速度特性を生じる。

ランス４の別の実施例は、第３図に示されるようなガ
スの非軸対称輪郭を生じる。ランス４は、略々円筒状の
胴部６に収容された複数の軸対称型チャネル30を有す
る。各チャネル30は、流入端部７と軸対称のガス輪郭が
放出される基準点80および82を有する流出ポート８を有
する。チャネル30は、胴部６の長手方向軸心から外方に
曲り、チャネル30の流出ポート９から出る反応速度増強
ガスの組合された輪郭が第２図に関して先に説明した如
き非軸対称的なガスの平坦状の速度特性を生じる。チャ
ネル30は、胴部６から延長するかあるいは第３図に示さ
れるようにその内部に収容される。後者の実施例は、炉
環境におけるチャネル30に対する付加的な保護を提供す
るため望ましい。

ランス４はまた、湾曲面を供給するため楕円体形状を
持たせてもよい。第４図においては、ランス４の先端部
５は形状が楕円体形状の単一の流出ポート31を有する
が、これは熱負荷が湾曲面を有するロータリーキルンに
おける使用が考慮されている。

楕円体形状を有するランス４の一例は第５図に示さ
れ、これにおいてはガス噴流が個々の軸対称チャネル32
から流出する。第３図に関して述べたように、チャネル
32は胴部６内にあってもよく、同様に非軸対称のガス輪
郭を生じる。

バーナー、またはバーナーの燃料出口、および本発明
によるガス・ランスの関係は、一日150トンのガラスを
製造し得る典型的なガラス炉の環境において示されてい
る。第6A図においては、一回分材料がガラス炉40の一端
部に導入される。この炉40は、融解ガラスが最終的な製
品の製造のため転送される前床炉43に至るスロート42を
有する。

３つの空気供給ポート45の各々の下方に３つずつある
９つのバーナー44が、ガラス融解生成物46を横切って同
時に着火する。第２図に示した形式のガス・ランス４
が、各バーナー44の下方に置かれ、火炎の略々平坦な輪
郭が熱負荷全体を均一に覆うように火炎の変形および変
位を共に行なうに充分な角度に設定される。このため、
ホットスポットを制限する容量を避けながら著しく強化
された熱伝達を生じる。ランス４は約45°までの火炎中
への突込みおよび約−45°の火炎からの引出しの範囲内
の角度に設定することができる。典型的には、良好な結
果は、噴流が火炎に対して略々平行である時に得られ
る。

第6B図は、第6A図において述べた炉の環境内のガス・
ランス４の使用による火炎の変形および変位を示してい
る。更に、炉40の壁面48は、空気供給ポート45、バーナ
ー44および本発明の斬新なランス４を収容している。ラ
ンス４は、バーナー44と熱伝達面との間に置かれ、即ち
融解生成物46がバーナー44に対して略々平行となる。ラ
ンス４から非軸対称的に流れるガス14は、火炎と熱負荷
との間に低圧界を生じ、火炎12を融解生成物46に向けて
下方に引寄せて火炎12を外方に平坦にし、その結果火炎
12が融解生成物46全体に均等に拡がるようにする。

第7A図乃至第7C図は、各々が非軸対称の出口を用いる
燃料出口およびランスを含むバーナーの構成を示してい
る。特に、第7A図の構成は、第２図に示した形式のラン
スを非軸対称の燃料出口52と第7A図に特に示される如き
軸対称状の流入端部54とを有するバーナー50内部に使用
する。本発明によれば、基準点80および82は流出ポート
９に位置されている。この基準点80および82を通る面Ｃ
−Ｃは、ランス４および燃料出口52の双方を二等分する
面Ｄ−Ｄに対して平行ではない（直角をなすことが望ま
しい）。ランス４がバーナーの一部をなさない時、この
面Ｄ−Ｄはランスおよびバーナーの双方を二等分するこ
とになる。

第7B図は、第３図に関して実質的に示し記したランス
が第7A図に示されるものと略々同じ燃料出口に関して作
用的に配置される別の構成を示している。第7B図の構成
は、各々が実質的に同じ平らな非軸対称輪郭を呈する火
炎および反応速度増強ガスを炉内へ放出する。

第7C図は、燃料出口とランスを内蔵するバーナーを示
し、これにおいてはランスは第４図に関して示し記した
ものと実質的に同じである。バーナー60は、湾曲した面
上に熱負荷を有するロータリーキルンにおいて使用され
る単一の流出ポート64を備えた類似の楕円体形状の燃料
出口62を有する。

第7A図乃至第7C図に示された実施例は、基質の表面に
対する輻射および対流の熱伝達の更に形態的に均一な増
強をもたらす結果となる。更に、ガス噴流により生じる
空気力学的に減殺される圧力界が更に容易に火炎を下方
に引寄せて、火炎を基質の表面に更に近く位置させる。
しかし、非軸対称ランスと共に軸対称バーナーを、ある
いは異なった非軸対称形状を有する非軸対称バーナーと
非軸対称ランスを用いて、受入れ得る結果を得ることが
できることを理解すべきである。

第８図および第９図に示されるように、非軸対称的な
ガス輪郭を放出する本発明のガス・ランスを使用するこ
とで、火炎を噴流に向けて下方へ変位させて火炎を平坦
にし、その結果最高火炎温度における均一な平らな火炎
が熱負荷を覆い望ましくないホットスポットを排除する
ことになる。

第８図においは、バーナーと熱負荷との間に置かれた
従来の軸対称ガス・ランスを使用する従来技術のガラス
炉が望ましくない局在化されたホットスポットを形成す
る。更に、炉40内に滞在するガラス融解生成物46が混合
区域16を形成する火炎12により加熱される。ガスの軸対
称流および火炎12のこの混合区域16は、単に不均一な加
熱およびホットスポット15の発生の原因となる局部的に
増強された熱伝達を結果としてもたらすに過ぎず、また
融解生成物46の過熱さえも生じるおそれがある。

第９図に示されるように、第6B図に関して先に述べた
如きバーナーと融解生成物46との間に置かれた非軸対称
状のガス・ランスは、非軸対称の混合区域20を生じる。
圧力が誘起する火炎12の変形の結果、より大きな面域に
わたり更に均一な温度の増強をもたらすことになる。こ
のように、局部的な熱流束、従って局部的な熱負荷の温
度は均等に保持される。

当業者には、ロータリーキルンの如き湾曲した加熱面
において使用される軸対称ランスはまた局部的なホット
スポットを生じることが容易に理解されよう。第４図お
よび第５図に関して述べた形式の非軸対称ガス・ランス
の使用は、湾曲した面においてもホットスポットを排除
する上で有効である。

特に、火炎と熱負荷との間に位置する非軸対称的な高
速度の反応速度増強ガスの噴流（単数または複数）によ
り生じる圧力界は、（ａ）熱負荷に対する火炎の位置を
より好適に位置決めし、（ｂ）熱負荷に対して火炎の形
状を適合させ、（ｃ）大きな領域にわたって火炎温度を
均等に増強するために使用される。これらの利点は、ホ
ットスポットの実質的な除去により反映される結果を招
来する。更に、本発明の御蔭により、従来技術の炉にお
いてしばしば形成される局部的なホットスポットを補償
するため熱負荷を操作するための必要は実質的に減殺さ
れ、これにより実質的なコスト節減をもたらす。

事例１従来のランスと主題の非軸対称ランスを比較する試験
が、長さ9.2m×巾7.1mの商業用のガラス炉のタンクにお
いて行なわれた。一回分材料がこのガラス・タンクの投
入口において導入された。一回分材料が融解した時、こ
の材料はスロートに向けて移動した。更に精製工程が作
業端部で行なわれた。前床炉の後で、ガラス融解生成物
は最終的な製品の製造の用意ができた。タンクからのガ
ラスの総生産高は一日当たり150乃至200トンであった。

３つのポートの各々の下方に１つずつ３つのバーナー
が必要な熱（17.5GJ/hr）を提供した。燃焼のため必要
な空気が蓄熱器、ポートを通ってバーナー上方に流れた
（ポート下方着火方式）。酸素ランスが第３ポートの各
バーナーの下方に取付けられた。燃焼ガスが反対側のポ
ートおよび蓄熱器を通って排気された。１組のポートか
らの15分間の焙焼サイクルの後、着火側は切換えられ
た。このように、前の各サイクルの排気エネルギの一部
は、燃焼空気を予熱することにより蓄熱器により回収さ
れた。

酸素ランスは、両方の着火側における第３ポートの３
つのバーナーの各々の下方に取付けられた。従来のラン
スは、内径が約6.35mm（1/4インチ）のステンレス鋼管
からなっていた。各ランスは、平均165m/秒の速度で約3
15SLPMの酸素を導入した。この酸素は、必要な総酸素量
の4.9％を提供した。

本発明の斬新なランスは、噴流を送風機と同様に水平
面内に、即ち第３図に示された形式の略々矩形状の流出
輪郭で指向させた高速度の４つのチャネルを備えた先端
部を内蔵していた。

酸素噴流の拡がり角度の選定は、火炎に合せた酸素量
および特殊な巾の低圧区域を提供する目的に基くもので
あった。ランス直径の選定は、火炎の位置、形状および
特別な強さを制御する低圧区域を生成する目的に基いて
いた。選定されたランスは、その時の重質燃料油バーナ
ーと整合された。これらバーナーは、約20°の噴流拡が
り角度を持つ渦拡散炎を生じた。約255m/秒の低温酸素
噴流の平均速度は、上記の諸目的を満たすため充分に低
い圧力を生じるものと見込まれた。

従来の酸素ランスならびに非軸対称酸素ランスの性能
を評価するため、温度の測定が行なわれた。２つの方法
が用いられた。

第１に、走査IRピロメータが直線に沿う温度特性を提
供した。実質的に、IR界の停止が特殊な走査用ソリッド
ステート検出器の視野を小さな立体角（60usr）に制限
した。輝度の測定値は、黒体輻射挙動を仮定して温度測
定値へ変換された。広く使用される黒体の仮定法は、通
常の方法でデータの定量的な相互干渉を制限する。独立
的な温度測定は光学的ピロメータを用いて行なわれた。

第２に、ビデオ・カメラを用いて焙焼中の炉内の定性
的な温度測定を得た。一般に、ある炉の典型的な高温度
においては、ビデオ・カメラの検出装置は飽和状態に近
く、記録された画像はコントラストを欠いたものとなっ
た。しかし、目に見える画像は、ニュートラル・デンシ
ティ・フィルタの使用により熱像へ変換された。

第11A図は、バーナーおよび第１図に示された形式の
従来のランスにおける第6B図の線Ｂ−Ｂに沿った垂直方
向の温度走査を示している。図に示すように、温度は火
炎を横切ってピークとなり、底部の温度勾配が非常に大
であった。このことは、低温の酸素を火炎の底部に導入
することから予期されていた。

第11B図は、バーナーおよび第３図に示した主題のラ
ンスにおける第6B図の線Ｂ−Ｂに沿った同様な垂直方向
の温度走査を示している。第11図に示されるように、２
つの温度ピークが生じる。第１の温度ピークは火炎主体
がバーナーから放出された場所にあり、第２の温度ピー
クは平らな酸素ランスが置かれた場所に位置する。この
第２の温度ピークは、平らな酸素噴流の低圧界による可
燃ガス、油滴および火炎の吸引の結果である。従来のラ
ンスでは達成されなかったものがこの強力な効果であ
り、このため火炎の好ましい変形および位置決めを可能
にする。

従来の酸素ランスによる火炎のビデオ・サーモグラフ
ィ（thermography）が、局部的な高度の熱流束の結果と
して第10A図に示される如きガラス融解生成物における
不均一な温度特性を結果として生じる狭い鉛筆状の高温
区域を呈示した。

本発明の酸素ランスによる火炎のビデオ・サーモグラ
フィは、均一に増強された火炎／温度特性を呈示した。
本方法による火炎における高温度区域が存在しない場合
は、第10B図に示される如く均一な熱流束の結果として
ガラス融解生成物における均一な温度特性を生じる結果
となった。

前述の試験の結果は表Ｉに示されている。表Ｉにおけ
る３番目の欄は、ガラス融解生成物の温度の均一性が本
発明の方法を使用することにより約400％増加したこと
を示している。この効果は、本試験においては合計18個
のバーナーの内僅かに２つしか本発明の酸素ランスを備
えていなかったため、炉の大きな熱負荷に照して顕著で
ある。

表Ｉにおいて得た結果から判るように、本発明の新し
い平坦噴流ランスは、従来の酸素ランスと比較してガラ
ス融解生成物面の温度の著しく改善された均一性を驚く
べく生じた。

事例２非軸対称ランス（第２図）と軸対称ランス（第１図）
間における火炎の形態生成における効果が定量的に比較
された。この比較において、酸素の平らな噴流が反応速
度増強ガス混合物の非軸対称噴流に対する特徴として選
定された。この平坦噴流は、高速の最初は軸対称である
渦拡散火炎に対しほとんど平行に指向された。この最初
軸対称である渦拡散火炎は、小さな丸チューブから出る
メタンの高速噴流を点火することにより生成された。バ
ーナー先端部における高いレイノルズ（Re）数は、工業
型バーナー・システムの場合典型的である。特定の運転
条件を表IIに示す。

火炎内の温度特性は、バーナー先端部の下流側のいく
つかの軸心（ｚ）位置において半径方向（ｒ）に熱電対
により得た。この熱電対は、PtRd6％/PtRd30％のワイヤ
間に頭部同志の溶接から生じる非常に小型（約0.051mm
（0.002インチ））の熱電対ビードからなっている。こ
の小径のビードは、充分な空間分解能をもたらした。燃
焼の研究においては周知の如く、ワイヤは温度測定中の
触媒的誤差を防止するためガラス状のシリカ層で覆われ
た。更に、熱伝達誤差を最小限度に抑えるため、公知の
熱電対設置技術を用いて、温度特性が火炎中の真の温度
特性を表わすようにした。

第12A図は、バーナー先端部の下流側のいくつかの場
所における未修正の、即ちガス・ランスを用いないメタ
ン渦拡散火炎の温度特性を示している。但し、ｚ＝バーナー先端部から下流側への距離ｒ＝バーナー軸心からの距離 D_O＝バーナー直径 R_O＝バーナー半径運転条件は表IIに呈示されている。

第12A図は、バーナーの下流側のＭ字形の温度特性の
公知の特性拡大図を示す。ガスが下方に移動するに伴
い、温度ピーク区域の周囲で加熱し反応する。この
（渦）拡散プロセスおよび高温ガスの膨張は、火炎がバ
ーナー先端部の下流側に移るに伴ない温度勾配を小さく
しようとする。これらの温度特性は、従来の軸対称ラン
スおよび本方法による非軸対称ランスにより修正される
火炎を比較するための基準を提供する。

軸対称の酸素噴流による温度特性の修正は第12B図に
示される。噴流の軸心は、バーナー軸心の右側にバーナ
ー径の2.37倍だけ偏って定置され、バーナー軸心に対し
て略々平行に指向されていた。

第12A図における温度ピークは、酸素吹込み領域にお
いて急激な増加を呈示している。しかし、この温度特性
は、酸素が導入された火炎の右側の「先縁部」において
比較的小さな温度勾配を示している。更にまた、第12A
図および第12B図を比較すると、左方の火炎区域がバー
ナー軸心から離れる方向にずれていることを示す。

第12C図は、本発明のランスを用いた温度特性におけ
る顕著な変化を示している。非軸対称噴流の軸心は、バ
ーナー軸心の右側にバーナー径の2.37倍だけ偏って定置
され、バーナー軸心に対し略々平行に指向された。同様
に、軸対称ランスの場合のように、酸素一体の右側の
「先縁部」側で酸素を吹込みを行なわない場合よりも顕
著な温度上昇が全測定間隔にわたって維持されている。

しかし、火炎特性のいくつかの重要な改善が得られ
た。先縁部の温度勾配は、ランスを用いない火炎よりも
約40％大きいだけでなく、軸対称ランス火炎よりは約50
％大きくなる。更に、火炎拡がり角度、即ち火炎におけ
る最高温度の軌跡により形成される相当する円錐角は、
軸対称のランスによる火炎よりも約50％小さく、またラ
ンスを用いない火炎より約70％小さくなる。この結果
は、表IIIに示される。

軸対称および非軸対称の両方のランスは、酸素が吹込
まれる場所のr/R_O＝4.74付近に低い静圧区域を生じる。
その結果、第12A図のＭ字形の温度特性における右側の
高温区域が左方へr/R_O＝4.74だけずらされた。軸対称ラ
ンスの場合は、左側の高温区域（第12B図）がバーナー
軸心から更に離れるようにずれを生じる。しかし、非軸
対称ランスの場合は、左側の高温区域は第12C図に示さ
れるように酸素吹込みの低静圧区域に向けてずれを生じ
る。このように、非軸対称ランスは右側の高温反応区域
を変位させるのみでなく、火炎を更に好ましい形態に変
形する左側の高温区域をも変位させる。第12C図に示さ
れるように、火炎の変形のみならず、火炎全体の変位が
生じて、これが火炎の設定に対するより大きな制御を行
なうのである。

更に、第12A図および第12B図の比較から、バーナー先
端部の中心からランスの中心までの線の方向における火
炎の拡がりが非軸対称ランスにより遥かに制限を受ける
ことが明らかである。更にまた、第12B図および第12C図
の比較により、非軸対称ランス操作法が酸素が導入され
る場所における望ましい高い温度勾配を維持する上で優
れていることを示す。

事例３第7A図に示されるランス／バーナー構造の形式の火炎
の変位および変形の全体的な増強効果が定量的に確定さ
れた。

酸素は反応測定増強ガスとして、また燃料としてはメ
タンが選定された。バーナー先端部におけるレイノルズ
（Re）数は、工業型のバーナー・システムの場合に典型
的である。この特定の運転条件が表IVにおいて示されて
いる。

第7A図に示される如き酸素出口ポート31と燃料出口ポ
ート64との間の間隔は約5.08mm（0.2インチ）であっ
た。第7A図に示されるデカルト座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）
は、原点がＹ軸方向の対称点にありかつバーナー面にお
いて酸素出口ポート31と燃料出口ポート64間の中心に置
かれた。

事例２において述べたものと同様な手順が用いられ
た。火炎中の温度特性は、バーナーの下流側のいくつか
の場所における全体的に増強された火炎シートを横切る
方向に測定された。結果は第13図に示されている。

第13図に示されるように、バーナーに接近して行なっ
た測定は「Ｍ字形」の特性を呈示している。この特性の
中心における比較的低い温度は「低温の」未反応燃料か
ら生じる。しかし、僅かに下流側では、帽子状の特性の
みが測定されたに過ぎない。加えて、Ｘ軸方向には火炎
の側方への膨張はほとんど生じなかった。

第14図においては、酸素側（第14図の左側）の温度特
性は明瞭に規定され、鋭く平坦である。燃料側（第14図
の右側）における等温線は、酸素噴流に対する火炎の強
い吸引の状態を示している。燃料側の等温線の顕著な曲
率は、火炎の好ましい位置および所要形状を制御する所
要の空気力学的に減殺された圧力界を示すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の典型的な軸対称ランスを示す斜視
図、第２図は平坦面を加熱するための単一チャネルを有
する本発明のガス・ランスの一実施例の斜視図、第３図
は多数のチャネルを備えた本発明のガス・ランスの一実
施例の斜視図、第４図は湾曲面を加熱する際使用される
本発明の単一チャネルのガス・ランスの斜視図、第５図
は湾曲面を加熱する際使用される多重チャネルのガス・
ランスの斜視図、第6A図は本発明のガス・ランス／バー
ナーの配置の一例を示す高温炉の斜視図、第6B図は火炎
の変位および変形を示す第6A図に示されたバーナー／ラ
ンス装置の線Ａ−Ａに関する断面図、第7A図はガス・ラ
ンスおよび燃料出口の双方が類似形状の非軸対称的な出
口端部を有するガス・ランスを内蔵するバーナーの部分
断面図、第7B図はランスが第３図に示されたものと同じ
形態を有し燃料出口が第6A図に示されたものと同じであ
るランスを内蔵する別のバーナーの部分断面図、第7C図
は燃料出口およびランスが第４図におけるランスに対し
て示されたものと類似する湾曲した輪郭をそれぞれ有す
るランスを内蔵する更に別のバーナーの部分断面図、第
８図は平坦な熱受け面を有する従来技術の炉における火
炎と熱負荷との間の関係を示す概略図、第９図は本発明
による平坦な熱受け面を有する炉内の火炎と熱負荷との
間の関係を示す概略図、第10A図は従来技術のランスに
より生じる如き火炎の方向に対して直角方向における熱
負荷を横切る水平温度特性を示す図、第10B図は本発明
のランスにより生じる如き火炎方向に対し直角方向にお
ける熱負荷を横切る水平温度特性を示す図、第11A図は
第6B図の線Ｂ−Ｂに関する従来技術のランスにより生じ
る火炎を横切る垂直温度特性を示す図、第11B図は第6B
図の線Ｂ−Ｂに関する本発明のランスにより生じる火炎
を横切る垂直温度特性を示す図、第12A図は酸素噴流が
存在しないバーナーの下流側の火炎の水平温度特性を示
すグラフ、第12B図は従来の軸対称型ランスを使用する
バーナーの下流側の形成の水平温度特性を示すグラフ、
第12C図は本発明による非軸対称型ランスを使用するバ
ーナーの下流側の火炎の水平温度特性を示すグラフ、第
13図は面Ｙ＝０（第7A図）内の特別な温度分布を示すグ
ラフ、および第14図は第7A図による面Ｙ＝０内の等温線
の特殊な分布を示すグラフである。４……ランス、５……ランス先端部、６……胴部、７…
…流入端部、８、９……流出ポート、12……火炎、14…
…ガス、15……ホットスポット、16、20……混合区域、
30、32……軸対称型チャネル、31……流出ポート、40…
…ガラス炉、41、42……スロート、43……前炉、44……
バーナー、45……空気供給ポート、46……ガラス融解生
成物、48……壁面、50、60……バーナー、52、62……燃
料出口、54……流入端部、64……流出ポート、80、82…
…基準点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献実開昭56−165259（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−66708（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3620514（ＵＳ，Ａ) 米国特許3353941（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナーと共に使用するのに適したガスラ
ンスであって、供給源から供給される反応速度増強ガスを流入せしめる
流入端部と、該流入端部の反対側に位置する反対側端部
とを有する本体と、一端と他端を有し、該一端が前記本体の前記反対側端部
に連通し、前記反応速度増強ガスを該反対側端部から前
記他端側へ向けて非軸対象的に放出する先端部とを備
え、前記ガスランスは、前記バーナーの下側に位置すると共
に、該バーナーから放たれた火炎を十分に変形且つ変位
させて略々平坦に拡がる火炎とし、該平坦な火炎が熱負
荷の表面を略々均一且つ全体的に覆うような角度に位置
決めされたことを特徴とするガスランス。
【請求項２】面に対して均一な熱伝達を行う装置であっ
て、前記面上に火炎を放つバーナーと、反応速度増強ガスを放出するガスランスとから成り、前記ガスランスは前記バーナーの下側に位置すると共
に、流入端部と、該流入端部の反対側に位置する反対側
端部と、前記流入端部と該反対側端部との間を延伸する
通路とを有する本体と、前記本体の前記反対側端部に連
通する一端と、前記ガスの流れる長手軸方向と直交する
方向の断面形状が略々非円形である他端とを有する先端
部とを備え、該先端部の前記他端の最も外側の両端に夫
々位置する点を結んだ面が、前記ガスランスと前記バー
ナーとを二等分する面に対して非平行に延在し、前記ガ
スランスは、前記火炎に十分に近接した箇所に前記反応
速度増強ガスを放出して空気力学的に減圧された領域を
形成し、以て、前記火炎を前記面側へ向けて変形且つ変
位させることを特徴とする装置。
【請求項３】表面に向けて火炎を吹き出すバーナーシス
テムを用意すると共に該バーナーシステムと前記表面と
の間に１つ以上の反応速度増強ガス放出用のガスランス
を設けて前記火炎と前記表面との間にガスの噴流を吹き
出して表面を加熱する方法であって、前記ガスが流れる長手軸方向と直交する面上におけるガ
ス出口の形状を略々非円形にすると共に、前記反応速度
増強ガスの噴流を吹き出して空気力学的に減圧された領
域を形成し、以て、前記火炎を前記表面側に向けて変形
且つ変位させて前記表面を均一に加熱することを特徴と
する方法。
【請求項４】１つの面に対し均一な熱伝達を行うバーナ
ーにおいて、燃料単独若しくは燃料と酸化剤を組合せて噴出するため
の燃料出口と、反応速度増強ガスを放出するためのガスランスとを備
え、前記ガスランスは、流入端部と、反応速度増強ガスが流
れる長手軸方向と直交する面上に断面形状が略々非円形
であるガス出口と、前記流入端部と、前記ガス出口との
間を延伸する通路とを有し、前記ガス出口の先端両側の
点を結んだ面が前記燃料出口と前記ガスランスを二等分
する面に対して非平行に延在し、前記ガスランスが前記
反応速度増強ガスを、前記燃料出口から吹き出された燃
料によって形成された火炎に近接する箇所に向けて噴出
すると、空気力学的に減圧された領域が形成され、以
て、前記火炎が前記面側へ向けて変形且つ変位されるこ
とを特徴とするバーナー。
【請求項５】前記燃料出口が、流入端部と、前記燃料が
流れる長手軸方向と直交する面上における断面形状が略
々非円形である燃料出口と、前記流入端部と前記燃料出
口との間を延伸する少なくとも１つの通路とを有する請
求項４記載のバーナー。