JPH01300109A - ガス噴射方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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　５ｐｏｔ）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、
火炎の付近における熱負荷に対しては比較的効率がよし
）。

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、はとんどの熱負荷は、ガラス／融
解生成物炉内のガラス／融解生成物の水平向の如き平坦
あるいはやや湾曲した面、ボイラーにおける熱交換器の
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、この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ボートをバー
ナーに瞬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、熱負荷は高度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ＩＩ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、Ｂｉｅｒ＋１３３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、火炎が頭部を鋼の
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、実質的に等圧伏で
ある（マツへ数が小さい）。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三等分する
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ｉ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ｉＩＩ　Ｌ／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ｌ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をセ井平本有し、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、流出ボート９を持つランス渣出端部即ち先
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から流出端部５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ボート９を提供する。この流出端部
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１柚対称的であり流出ボート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、流出ボート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を有する流出ボート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の流出ボー］・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
は形状が楕円体状の単一の流出ボート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、ヂャネル３
２は胴部６内にあってもよく、同様に非情対称のガス輪
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、−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、−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萌床炉４３に至るス
ロート４２を有する。

３つの空気供給ボート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、ホットスポットを一１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、空気供給ボート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Ｉ４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−５
０内部に使用する。本発明によれば、基準点８０および
８２は流出ボート９に位置されている。この基準点８０
および８２を通る而Ｃ−Ｃは、ランス４および燃料出口
５２の双方を二等分する而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ボート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図においては、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
混合区域嘗６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■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右それ
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。圧力が話起する火炎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、本発明の開鎖により、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。

■−血−」 従来のランスと主題の非情対称ランスを比較する試験が
、長さ９．２　ｍ　Ｘ　Ｉｌｌ　７．１ｍの商業用のガ
ラス炉のタンクにおいて行なりれた。−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。−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。萌床炉の後で
、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つのボ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、ボートを通ってバーナ
ー上方に流れたくボート下方着火方式）。

酸素ランスが第３ボ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ボートおよび蓄熱器を通って
排気された。１組のボートからの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ボートの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．：１５ｍａ＋　（’ｄインチ）のステ
ンレス鋼管からなワていた。

各ランスは、平均１６５ｍ／秒の速度で約３１５ＳＬＰ
Ｍ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、火炎に合せた酸素計お
よび特殊なｉＪの低圧区域を提供する目的に基〈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　７秒の
低温酸素噴流の平均速度は、上記の諸口的を満たすため
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−Ｈに沿ワた垂直
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
大であフた。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−Ｈに沿った同様な垂直方
向の温度走査を示している。

第１Ｉ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４
　（Ｌｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ）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■に示されている。

表■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。

Ｔｍａｘ　−Ｔｍ１ｎ １云　−ンス３＝　　　Ｔｍａｘ　　Ｋ　　　Ｔｍ１ｎ
　　Ｋ　　　　　　Ｔｃ管理　酸素ランス　　　１，５
８８　　　　＋、６５０　　　　　０．７２なし 管理　従来のランス　　１，５８０　　　１．６６６　
　　　　　１．００１　非軸対称ランス　１，５６４　
　　　　＋、５８８　　　　　　０．２８（ｌサイクル
） ２　非軸対称ランス　ｌ、ｆｉ７５　　　１，６９７　
　　　　０．２６（２４時間） （註）Ｔｃ＝Ｔｍａｘ−Ｔｍｉ　ｎ　（従来のランスの
場合）表■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。

叫−■−遣 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情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ｌすに／ｖ
ビ 渦拡散火炎に対し傘真弄淘瀧平行に指向された。

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■１に示す。

表−一一一旦 平明流　　酸素　　５２．７　　　　　　０．０１ｘ０
．３３８　−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％／
ＰｔＲｄ：１０％のワイヤ間に頭部同志の溶接から生じ
る非常に小型（約０．０５１　ｌＩｎ　（０，００２イ
ンチ））の熱電対ビードからなフている。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つ但し、 Ｚ＝バーナー先端部から下流側への距離「＝バーナー軸
心からの距離 （）ｏ＝バーナー直径 ＲＯ＝バーナー半径 運転条件は表１■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、バーナー輪心の右側にバーナ
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１２８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Ｒがｊ：？られ
た。先縁部のイ、１ｌｌＸ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、ｌｌｌ１ｂ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１
表Ｉ１１に示される。

２００　−：１６２．５　　　　　　　　　　　−４５
７．３２５０　−２５９．９　　　　−２３３．７　　
　　−３４４６．５２２．４　　　　　１：１．：ｌ　
　　　　　６．８：１ｌｌＯ−２０１１，９−１９３，
９−２９８，４軸対称および非情対称の両方のランスは
、酸素が吹込まれる場所のｒ／Ｒｏ＝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／Ｒ０−４
，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１
２Ｃ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
して、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溝かに制限を受
けることか明らかである。

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。

１−■＝１ 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！［的に確定
され−た。

酸素は反応速度増強ガスとして、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。

火炎環境　　　　空気　　　　　０．６２　　　　　直
径４．００燃料ノズル　　　メタン　　　１６．１　　
　　０．：１３４　ｘＯ，３７４ガス・ノズル　　酸素
　　　　４２．＋　　　　　０．３３４　ｘｏ、２７６
第７Ａ図に示される如き酸素出口ボート３１と燃料出口
ボート６４との間の間隔は約５．０８ｍ＋＊（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＋ｔ＊）は、原点がＹＩＩＩｌ１１方向の対
称点にありかつバーナー面において酸素出口ボート３１
と燃料出口ボート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、Ｘｌ１ｉｌｈ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Ｎ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７Ｍ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
所要形状をル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だ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？排−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・ランスおよび燃料用［１の双方が類似形状の非情
対称的な出し１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
ね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図は燃料用「１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
た輪郭をそれぞわ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図は平坦な熱愛は面を有する従
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愛は面を打する炉
内の火炎と熱負イ：：１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−８
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１２８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
は而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＝Ｏ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・−１詞部
、７・・・流入端部、８．９・・・流出ボート、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・・・流出ボート、４０・・・ガラス
炉、４１．４２・・・スロート、４３・・・前炉、４４
・・・バーナー、４５・・・空気供給ボート、４６・・
・ガラス融解生成物、４８・・・壁面、５０．６ｏ・・
・バーナー、５２．６２・・・燃料出口、５４・・・流
入端部、６４・・・流出ボート、８０．８２・・・基準
点。 ＦＩＧ、２ Ｆ　Ｉ　Ｇ、　４ ＦＩＧ、５ Ｆ　Ｉ　Ｇ、６Ｂ ＦＩＧ、８　　　　　　　　ＦＩＧ、９ＦＩＧ、ｌＯＡ
　　　　　　　　　ＰＩＧ、ｌ０ＢＦＩＧ、ｌｌＡ　　
　　　　　　　ＦＩＧ、ＩＩＢ順、Ｖζ歎大菱４フ（Ｃ
メ９７２ Ｆ　Ｉ　Ｇ、　１２Ａ 、〕２讐５＄［プ【３εし！１．）珈【、（」−７りす
オドｔ２．噌う１１Ｆ　Ｉ　Ｇ、　１２Ｂ 袴ヰ歌ゾ・如菰Ｘ（梢θより襲匍 ＦＩＧ、１２Ｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、供給源から反応速度増強ガスを受取る流入端部を有
   する胴部と、 該流入端部と流通状態にある対向した流出 端部と、 該流出端部から前記ガスを非軸対称 輪郭で放出する手段とを設けてなるガス・ランス。 ２、面に対して均一な熱伝達を行なう装置において、 該面上に延長する火炎を生じるバーナー と、 流入端部と、ガスの流出地点においてガス流の長手方向
   軸心に対し直角に取られた実質的に非円形状である断面
   を有する流出端部と、前記流入端部および流出端部とを
   結合する通路とを有する、反応速度増強ガスを放出する
   ためのガス・ランスとを設け、該流出地点は最も 外側の対向する地点を通る１つの面が前記ランスおよび
   前記バーナーを二等分する面に対して平行でないように
   前記対向地点を有し、以て前記ランスが前記反応速度増
   強ガスを火炎に対して充分に近くに放出して、前記火炎
   を 前記面に向けて変形させかつ変位させる空気力学的に減
   殺された圧力界を生じるようにした装置。 ３、１つの面上に延長する火炎を生じるバーナー・シス
   テムを提供し、該バーナー・システムと前記面との間に
   １つ以上の反応速度増強ガス・ランスを提供することか
   らなり、該ランスが前記火炎と前記面との間に前記ガス
   の噴流を生じる、１つの面を加熱する方法において、前
   記ガス流の長手方向軸心に対し直角に取られた該ガスの
   流出地点が実質的に非円形状であり、これにより空気力
   学的に減殺された圧力界を生じることにより前記火炎を
   変形させかつ 該火炎を前記面に向けて変位させる噴流を生じることに
   よって加熱の均一性を増強するように、前記反応速度増
   強ガスを放出することを含む方法。 ４、１つの面に対し均一な熱伝達を行なうバーナーにお
   いて、 燃料単独あるいは酸化剤と組合せて放出する燃料出口と
   、 流入端部と、ガスの流出地点においてガス流の長手方向
   軸心に対し直角に取られた実質的に非円形状の断面を有
   する流出端部と、前記流入端部と該流出端部とを結合す
   る通路とを含む、反応速度増強ガスを放出するためのガ
   ス・ランスとを設け、該流出地点は最も外側の対向地点
   を通る面が前記ランスおよび前記燃料出口とを二等分す
   る面に対して平行ではないように該対向地点を含み、以
   て前記ランスが前記反応速度増強ガスを前記の放出され
   た燃料により形成される火炎に対し充分に近くに放出し
   、かつ前記火炎を前記面に向けて変形させかつ変位させ
   る空気力学的に減殺された圧力界を生じるバーナー。 ５、前記燃料出口が、流入端部と、燃料の流出地点にお
   いて燃料流の長手方向軸心に対し直角に取られた実質的
   に非円形状の断面を有する流出端部と、前記流入端部と
   該流出端部とを結合する少なくとも１つの通路とを有す
   る請求項４記載のバーナー。