KR20010067142A - 코우히어런트 젯의 길이를 변화시키는 방법 - Google Patents

코우히어런트 젯의 길이를 변화시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바람직하게는 연료와 불활성 가스의 총유량을 일정하게 유지시키도록 구성되는 불활성 가스를 사용하여 가스상 연료를 사용하고, 가스상 연료의 유량을 변화시키는 불꽃 엔벨로프를 사용하여 코우히어런트 젯을 달성시키므로써 코우히어런트 젯의 길이를 변화시키는 방법에 관한 것이다.

Description

코우히어런트 젯의 길이를 변화시키는 방법 {METHOD FOR CHANGING THE LENGTH OF A COHERENT JET}
본 발명은 일반적으로 코우히어런트 젯(coherent jet) 기술에 관한 것이다.
최근 기체 동력학 분야에서의 상당한 진보는 긴 거리를 이동할 수 있으면서 거의 초기 속도를 그대로 유지하고 젯 직경을 거의 증가시키지 않을 수 있는 기체의 레이저형 젯을 제조하는 코우히어런트 젯 기술의 발전에 있다. 코우히어런트 젯 기술의 한가지 매우 중요한 상업적 용도는 용융 금속과 같은 액체에 기체를 도입시키므로써 기체 주입기가 액체의 표면으로부터 멀리 이격될 수 있어, 많은 기체가 액체의 표면으로부터 편향되는 종래의 실시에서보다 훨씬 많은 기체가 액체로 침투되기 때문에 안정한 작업 뿐만 아니라 효율적인 작업이 될 수 있게 하는 것이다.
몇몇 경우에서는, 가스 주입기에서 액체 표면까지의 길이와 같은 코우히어런트 젯의 길이를 변화시키는 것이 바람직하다. 이는 가스 주입기의 높이를 변화시키므로써, 즉, 액체의 표면으로부터 가깝게 하거나 멀게 하므로써 이루어질 수 있으나, 이것은 성가신 일이며, 시간 소비적이다. 이는 또한 가스 주입 노즐의 치수를 변화시키므로써 코우히어런트 젯의 길이를 변화시킬 수 있으나, 이 또한 불편하다. 또한, 코우히어런트 젯을 포함하는 가스의 유량을 변화시켜 코우히어런트 젯의 길이를 변화시키므로써 코우히어런트 젯의 길이를 변화시킬 수 있다. 그러나, 이러한 실시는 코우히어런트 젯 기술이 사용되는 전체 공정, 예를 들어, 정제 공정에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 코우히어런트 젯을 제조하기 위해 사용되는 장비를 변화시킬 필요 없이, 또한 유량과 같은 코우히어런트 젯을 제조하는 기체의 다른 요소를 변화시킬 필요 없이 코우히어런트 길이를 변화시키는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시에서 가스용 주입기로서 사용될 수 있는 랜스 팁(lance tip)의 일 구체예에 대한 단면도이고, 도 2는 이의 상부도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 작동에 의해 코우히어런트 젯 길이가 변함을 도시한 것이다. 도면에서의 부호는 공통 요소에 대해 동일하다.
도 5는 본 발명의 작동을 입증하는 실험 결과의 그래프 도식이다.
* 주요 도면 부호의 간단한 설명 *
1: 랜스 2, 3, 4: 통로
7, 8:노즐 20: 코우히어런트 젯
21: 연장부 50: 노즐의 개구
본 명세서를 숙지한 당해 기술자들에게 명백하게 될 상기 목적 및 그 밖의 목적이 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명은 코우히어런트 젯의 길이를 변화시키는 방법으로서,
a) 주가스 스트림내의 주가스를 소정의 주가스 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 제 1 가스상 연료 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 산화제로 연소시켜 주가스 스트림과 동축인 불꽃 엔벨로프를 형성시켜 제 1 길이를 갖는 코우히어런트 젯을 달성시키는 단계 및
b) 주가스 스트림내의 주가스를 소정의 주가스 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 제 1 가스상 연료 유량과는 다른 제 2 가스상 연료 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 산화제로 연소시켜 주가스 스트림과 동축인 불꽃 엔벨로프를 형성시켜 제 1 길이와는 다른 제 2 길이를 갖는 코우히어런트 젯을 달성시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "코우히어런트 젯"은 노즐로부터 방출시에 갖는 속도 프로파일과 유사한, 방출되는 노즐로부터 상당히 떨어져 있는 다운스트림의 속도 프로파일을 갖는 가스 젯을 의미한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "환형"은 고리 형태를 의미한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "불꽃 엔벨로프(flame envelope)"는 주가스 스트림과 동축인 환형 연소 스트림을 의미한다.
코우히어런트 가스 젯에 관련하는 경우, 본 발명에서 사용되는 용어 "길이"는 노즐로부터 가스가 의도된 코우히어런트 가스 젯의 의도된 충돌 지점 또는 가스 젯트가 코어히어런트를 중단하는 지점까지의 거리를 의미한다.
본 발명은 도면을 참조로 하기에서 상세히 기술될 것이다.
도 1 및 2와 관련하여 살펴보면, 주가스는 코우히어런트 젯 랜스(1)의 중앙 통로(2)를 통해 통과한 후, 수렴/분산 노즐(50)을 통과하고 노즐 개구(11)를 통해 랜스(1)로부터 빠져 나가 주가스 스트림을 형성한다. 일반적으로, 주가스 스트림의 속도는 1000 내지 8000fps(feet per second)의 범위이고, 주가스 스트림의 유량은 10,000 내지 2,000,000CFH(cubic feet per hour)의 범위이다.
어떠한 효과적인 가스도 본 발명의 실시에서 주가스로서 사용될 수 있다. 이러한 가스중 하나는 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 증기 및 탄화수소 가스일 수 있다. 또한, 2종 이상의 가스를 포함하는 혼합물이 본 발명의 실시에서 주가스로서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에서 주가스로서 사용하기에 특히 유용한 가스는 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체로서 정의될 수 있는 가스상 산소이다. 가스상 산소는 90몰% 초과의 산소 농도를 가질 수 있으며, 거의 순수한 상업용 산소일 수 잇다.
메탄, 천연 가스 또는 분무화 액체, 예를 들어 분무화 연료 오일과 같은 가스상 연료가 통로(3) 또는 (4)로 랜스(1)를 통해 제공되며, 각각의 통로는 중앙 통로(2)로부터 방사상으로 이격되어 있고, 동축이다. 바람직하게는, 가스상 연료는 보다 내측의 동축 통로(3)을 통과하므로써 제공된다. 가스상 연료는 노즐(50)의 개구부와 동일 높이인 랜스면(5)에서 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이노즐(7) 또는 (8)을 통해 랜스(1)로부터 통과해 나간다. 노즐(7 및 8)의 개구는 각각이 개구(11) 둘레의 환형 개구일 수 있거나, 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이 노즐 개구(11) 둘레의 홀(9 및 10)의 고리이다. 가스상 연료는 바람직하게는 주가스의 속도보다 낮은 속도로, 일반적으로 100 내지 1000fps의 범위로 랜스(1)로부터 제공된다.
가스상 연료는 산화제로 연소되어, 바람직하게는 코우히어런트 젯의 전체 길이에 대해 주가스 스트림 주변과 주가스 스트림을 따라 불꽃 엔벨로프를 형성한다. 상기 산화제는 공기, 공기의 산소 농도를 초과하는 농도를 갖는 산소 부유 공기, 또는 99몰% 이상의 산소 농도를 갖는 상용 산소일 수 있다. 바람직하게는 산화제는 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이다. 산화제는 어떠한 효과적인 방식으로 가스상 연료를 연소시키기 위해 제공될 수 있다. 도 1 및 2에서 도시된 바람직한 한 배치에서는, 가스상 연료를 제공하는 데는 사용되지 않는 통로(3) 또는 통로(4)인 동축 통로를 통해 산화제를 공급하는 것을 포함한다. 이는 가스상 연료 및 산화제가 상호작용하고 연소하여 랜스(1)로부터 각각 방출되는 경우에 불꽃 엔벨로프를 형성하게 한다.
주가스 스트림 주변의 불꽃 엔벨로프는 주변 가스가 주가스 스트림으로 유도되지 않도록 하므로써, 용융 금속의 푸울(pool) 표면과 같이 목적하는 충돌 지점에 주가스 스트림이 도달하게 될 때까지의 주가스 스트림의 바람직한 길이를 위해 주가스 스트림의 속도가 현저히 저하되지 않도록 하고, 주가스 스트림의 직경이 현저히 증가하지 않도록 한다. 즉, 불꽃 엔벨로프는 젯의 길이를 위해 코우히어런트젯으로서 주가스 스트림을 달성하고 유지시키는 역할을 한다.
본 발명은 주가스 노즐을 변화시키거나 랜스 팁과 목적하는 충돌 지점 간의 거리를 변화시키는 것과 같은 장비를 변화시키는 것을 필요로 하지 않고, 또한 주가스 유량을 변화시키는 것을 필요로 하지 않고 코우히어런트 젯의 길이를 변화시킬 수 있게 한다. 현존 길이, 즉 제 1 길이로부터 다른 길이, 즉 제 2 길이로 코우히어런트 젯의 길이를 변화시키고자 하는 경우의 본 발명의 실시에서, 필요한 것은 가스상 연료의 유량을 제 1 길이, 즉, 제 1 가스상 연료 유량과 관련된 불꽃 엔벨로프를 생성시키는 데 사용되는 유량에서 제 2 가스상 연료 유량으로 변화시키는 것 뿐이다. 제 1 가스상 연료 유량에서 제 2 유량으로의 가스상 연료 유량의 증가는 코우히어런트 젯의 길이를 제 1 길이에서 제 2 길이로 증가시킬 것이며, 제 1 가스상 연료 유량에서 제 2 유량으로의 가스상 연료 유량의 감소는 코우히어런트 젯의 길이를 제 1 길이에서 제 2길이로 감소시킬 것이다.
도 3 및 4는 도 3에 도시된 코우히어런트 젯(20)이 제 1 길이를 갖지며, 이는 도 4에 도시된 제 2 길이를 초과하는 본 발명의 작동을 도시한 것이다. 일반적으로, 코우히어런트 젯의 길이는 대략 가스상 연료 유량의 제곱근에 비례한다. 도 3 및 4는 연장부가 불꽃 엔벨로프의 형성을 도와주는데 사용되는 특히 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 일반적으로 길이가 0.5 내지 6인치 범위인 연장부(21)는 랜스 말단면(5)로부터 연장되어 부피(22)를 형성하고, 이 부피와 노즐 출력 개구(11) 및 환형 방출 수단(7 및 8)이 연통하고, 이 부피내에서 각각의 가스 젯과 주가스 젯(20) 둘레로 불꽃 엔벨로프(23)가 처음에 형성된다. 연장부(21)에 의해형성된 부피(22)는 보호 영역을 형성하여 랜스 말단으로부터 유출되는 즉시 주가스 스트림과 연료 및 산화제를 보호하는 역할을 하므로써 주가스 젯의 코우히어런시(coherency)를 달성하도록 도와준다. 보호 영역은 주가스 젯 둘레의 연료 및 산화제의 재순환을 유도한다.
하기 시험 결과는 본 발명을 예시하고 추가로 설명하고자 제공되는 것이다. 이들 결과는 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 이들 실시예에서, 도 3 및 4에 도시된 것과 유사한 랜스는 코우히어런트 젯을 달성하는 데 사용되었다. 주가스용 노즐은 입구 직경이 0.62인치이고, 출구 직경이 0.81인치인 수렴/발산 노즐이었다. 주가스는 상업용 산소였고, 100psig의 공급압에서 랜스로부터 36,000CFH의 유량으로 방출되었다. 가스상 연료는 내측 통로를 통해 전달되고 랜스로부터 16개의 홀을 통해 방출되는 천연가스였고, 이들 홀은 각각 랜스면상의 2인치 직경 써클상에 0.154 인치의 직경을 가졌다. 가스상 연료를 연소시켜 불꽃 엔벨로프를 형성시키는 산화제는 상업용 산소였고, 외측 통부를 통해 전달되고 랜스로부터 16개의 홀을 통해 방출되며, 각각의 홀은 랜스면상의 2.75인치 직경상에 0.199 인치의 직경을 가졌다. 이러한 산소의 유량은 가스상 연료의 유량이 변화됨에 따라 시험 동안에 일정하게 유지시켰다. 랜스는 또한 원주에 2인치 길이를 연장부를 가져 랜스로부터의 방출시에 가스를 차폐하였다. 코우히어런트 젯의 초음파 속도는 약 1600 ft/초였다.
상기 기재된 파라미터에 의해 달성된 코우히어런트 젯의 길이를 주어진 가스상 연료 유량에 대해 측정하고, 그 결과를 기록하였다. 가스상 연료 유량을 제 2가스상 연료 유량으로 변화시키고, 새로운 길이, 즉 코우히어런트 젯의 제 2 길이를 측정하고 기록하였다. 결과가 곡선 A로 도 5에 도시된다. 도 5에서, 코우히어런트 젯 길이는 수직축상에서 측정되고, 가스상 연료 유량은 수평측상에서 측정된다. 곡선 A로부터 알 수 있드시, 가스상 연료 유량을 증가시키므로써 코우히어런트 젯의 길이가 증가할 수 있고, 가스상 연료 유량을 감소시키므로써 코우히어런트 젯의 길이가 감소할 수 있다.
0 내지 5000CFH 천연 가스의 실시에 있어서(도 5), 코우히어런트 젯의 길이 증가는 초기에 매우 급격하고, 이후 완만하게 된다. 0 내지 1000CFH 천연가스의 경우, 코우히어런트 젯 길이는 9인치에서 28인치로, 19인치 증가한다(200% 초과). 4000CFH의 천연 가스 추가 증가의 경우(1000 에서 5000CFH 천연가스로), 코우히어런트 젯 길이는 28인치에서 46인치로, 18인치(약 65% 초과) 증가한다.
도 5는 또한 본 발명의 예상밖의 특성을 나타내는 본 발명의 바람직한 구체예에 의한 결과를 보여준다. 가스 연료 유량을 5000CFH 미만이 되도록 감소시키고, 본 발명에서는 질소 가스인 불활성 가스를 연료에 첨가하여 가스상 연료와 불활성 가스의 전체 유량이 5000CFH이 되도록 하는 것을 제외하고는, 상기 기재된 절차를 반복하였다. 이러한 일련의 시험 결과가 도 5에서 곡선 B로 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 불활성 가스 구성을 갖는 본 발명의 작동에 대한 결과는 실질적으로 불활성 가스가 사용되지 않은 경우의 결과가 동일하다. 이는 주가스 스트림에 인접하여 흐르는 유체의 유량이 일정하게 유지되는 경우(곡선 B)에 동일하게 조절되기 때문에, 가스상 연료 유량의 조작에 의한 코우히어런트 젯 길이의 조절이주가스 스트림에 인접하여 흐르는 유체의 유량을 변화시킴에 의한 단순한 물리적 효과가 아님을 입증한다.
도 5의 곡선 B에 도시된 결과는 본 발명의 예상밖의 특성을 입증할 뿐만 아니라 본 발명의 바람직한 구체예를 예시하는 역할을 한다. 가스상 연료의 낮은 유량에서, 연료가 방출되는 홀은 오염되거나, 다르게는 플러깅된다. 가스상 연료로 구성용 불활성 가스를 사용하므로써, 연료와 불활성 기체의 높은 총유량이 유지되어 도 5에 보고된 시험에 의해 입증된 바와 같이, 코우히어런트 젯 길이의 조절을 필요로 하지 않고 오염 가능성을 배제시킬 수 있다.
코우히어런트 젯의 적합한 갯수가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 하나 이상의 코우히어런트 젯이 산업 적용에 사용되는 경우, 본 발명의 방법은 코우히어런트 젯 전부를 포함하여 하나 또는 특정 갯수의 길이를 변화시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 4개의 코우히어런트 젯을 사용하는 기본 산소로에서, 모든 랜스에 대한 가스상 연료 유량은 모든 코우히어런트 젯의 길이를 동시에 변화시켜 변화될 수 있다.
이제, 본 발명을 사용하므로써, 장비의 변경 또는 코우히어런트 젯을 형성하는 가스의 유량을 변화시킬 필요 없이 코우히어런트 젯의 길이를 신속 정확하게 변화시킬 수 있다. 본 발명이 특정 바람직한 구체예를 참조로 상세히 기술되었지만, 당해 기술자들은 특허청구범위의 사상 및 범위내에서 본 발명의 다른 구체예 존재함을 인지할 것이다. 예를 들어, 사용된 가스상 연료가 분무된 액체인 경우에 연료에 분무 가스를 제공하기 위한 수단이 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 코우히어런트 젯(coherent jet)의 길이를 변화시키는 방법으로서,
    a) 주가스 스트림내의 주가스를 소정의 주가스 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 제 1 가스상 연료 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 산화제로 연소시켜 주가스 스트림과 동축인 불꽃 엔벨로프를 형성시켜 제 1 길이를 갖는 코우히어런트 젯을 달성시키는 단계 및
    b) 주가스 스트림내의 주가스를 소정의 주가스 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 제 1 가스상 연료 유량과는 다른 제 2 가스상 연료 유량으로 제공하고, 가스상 연료를 산화제로 연소시켜 주가스 스트림과 동축인 불꽃 엔벨로프를 형성시켜 제 1 길이와는 다른 제 2 길이를 갖는 코우히어런트 젯을 달성시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 가스상 연료 유량이 제 1 가스상 연료 유량보다 크고, 제 2 길이가 제 1 길이보다 큼을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 2 가스상 연료 유량이 제 1 가스상 연료 유량보다 낮으며, 제 2 길이가 제 1 길이보다 짧음을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 주가스가 가스상 산소임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 불활성 가스가 제 2 가스상 연료 유량으로 제공된 가스상 연료에 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 불활성 가스가 질소 가스임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 불활성 가스가 불활성 가스 유량과 제 2 가스상 연료 유량의 합이 제 1 가스상 연료 유량과 거의 동일하도록 불활성 가스 유량으로 제공됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 제 1 불활성 가스 유량으로 불활성 가스가 제 1 가스상 연료 유량으로 제공된 가스상 연료에 첨가되고, 제 2 불활성 가스 유량으로 불활성 가스가 제 2 가스상 연료 유량으로 제공된 가스상 연료에 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 다수개의 코우히어런트 젯이 사용되고, 각각의 코우히어런트 젯에 대한 가스상 연료 유량이 변화되어 각각의 코우히어런트 젯의 길이 변화됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 불꽃 엔벨로프를 형성하기 위한 가스상 연료 연소용 산화제가 단계(A) 동안에 단계(B) 동안에 제공되는 유량과 거의 동일한 유량으로 제공됨을 특징으로 하는 방법.
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