KR20030047706A - 액체 연료 플레임 쉬라우드를 사용한 응집 분사 시스템 - Google Patents

액체 연료 플레임 쉬라우드를 사용한 응집 분사 시스템 Download PDF

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KR20030047706A
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

액체 연료가 구동 기체와 함께 랜스 표면상의 함몰부로 제공되는, 랜스로부터 하나 이상의 응집성 분사물을 형성하기 위한 방법 및 장치로서, 분사물 응집성을 유지하도록 플레임 쉬라우드를 생성하는데 사용된다.

Description

액체 연료 플레임 쉬라우드를 사용한 응집 분사 시스템 {COHERENT JET SYSTEM USING LIQUID FUEL FLAME SHROUD}
본 발명은 일반적으로 응집 분사 기술에 관한 것이다.
기체 역학 분야에서 최근 현저한 진보는 초기 속도를 실질적으로 전부 유지하면서 그 분사물 직경이 약간만 증가한 채로 장거리를 이동할 수 있는 기체의 레이저형 분사물을 생성하는 응집 분사 기술의 개발이다. 응집 분사 기술의 한가지 매우 중요한 상업적 용도는 용융 금속과 같은 액체내로 기체를 도입시키는 것이며, 이로써 기체 랜스가 액체의 표면으로부터 큰 거리로 이격될 수 있으며, 이는 많은 기체가 액체의 표면에서 편향되어 액체로 들어가지 않는 종래 기술에서 가능했던것 보다 훨씬 많은 양의 기체가 액체내로 침투하기 때문에 보다 효율적인 작업 및 보다 안전한 작업을 가능케 한다.
응집 분사 시스템에서, 하나 이상의 기체 분사물은 플레임 엔벨롭(envelope) 또는 플레임 쉬라우드에 의해 둘러싸여서 분사 랜스로부터 장거리에 걸쳐 기체 분사물의 응집성(coherency)을 유지한다. 플레임 쉬라우드는 메탄 또는 천연 가스와 같은 기체 연료로 산화제를 연소시킴에 의해 생성된다. 일부 경우에는, 플레임 쉬라우드를 생성시키는데 기체 연료 대신 액체 연료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 액체 연료는 기체 연료가 일관된 기조로 규칙적으로 가능하지 않은 영역 및/또는 기체 연료의 비용이 액체 연료에 비해 고가인 영역에서 기체 연료 보다 바람직할 수 있다. 유감스럽게도, 응집 분사 시스템에서 기체 연료 대신 액체 연료를 곧바로 대용하는 것은 응집 분사에 관하여 만족스러운 결과를 가져오지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 필요한 플레임 쉬라우드를 생성하기 위하여 액체 연료를 효과적으로 사용할 수 있는 응집성 기체 분사물 생성 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 랜스 표면(lance face)의 한 바람직한 구현예의 정면도이고,
도 2는 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 이러한 랜스 표면을 갖는 랜스의 한 바람직한 구현예의 단면도이며,
도 3은 도 1 및 2에서 예시된 본 발명의 구현예의 작동 상태를 예시한다. 도면 부호는 공통 엘리먼트에 대해서 동일하다.
본 개시 내용을 읽을 때 당업자에게 명백해질 상기 목적 및 기타 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 그 중 한 측면은,
(A) 하나 이상의 기체 분사물을, 랜스 표면을 갖는 랜스내에 하우징되고 랜스 표면에서 분사 볼륨(injection volume)과 연통해 있는 하나 이상의 노즐로부터 분사 볼륨내로 통과시키는 단계;
(B) 액체 연료를, 노즐을 둘러싼 랜스 표면상의 함몰부(recession)를 통과시키는 단계;
(C) 구동 기체(motive gas)를 함몰부내로 통과시켜, 함몰부내에 액체 연료의 흐름을 만들고, 액체 연료를 분무화(atomization)시키고, 함몰부로부터 나오는 분무화된 액체 연료를 분사 볼륨내로 환상으로 통과시켜 기체 분사물로 하는 단계; 및
(D) 산화제를 분사 볼륨내로 통과시키고 산화제를 분무화된 액체 연료로 연소시켜 기체 분사물 둘레에 플레임 쉬라우드를 형성시키는 단계를 포함하는 응집성 기체 분사물을 생성하는 방법이다.
본 발명의 다른 측면은,
(A) 랜스 표면을 갖고 있으며 상기 랜스 표면에 구멍이 있는 하나 이상의 노즐을 갖는 랜스;
(B) 노즐 구멍을 둘러싼 랜스 표면상의 함몰부;
(C) 액체 연료를 함몰부에 제공하는 수단, 및 함몰부내에서 액체 연료를 분무화시키기 위하여 구동 기체를 함몰부에 제공하는 수단; 및
(D) 함몰부의 외부에 방사상으로 위치한, 산화제를 랜스로부터 통과시키는 수단을 포함하는 응집 분사 랜스 장치이다.
본원에서 사용된 용어 "랜스 표면"은 분사 볼륨과 접하고 있는 랜스의 표면을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "응집성 분사물"은 기체를 노즐로부터 배출시켜 형성되고 20d(여기서, d는 노즐의 출구 직경) 이상의 길이를 따라 노즐로부터 배출시의 속도 및 운동량 프로필과 유사한 속도 및 운동량 프로필을 갖는 기체 분사물을 의미한다. 응집성 분사물은 달리 설명하면 20d 이상의 거리 동안 그 직경에 거의 또는 전혀 변화가 없는 기체 분사물이다.
본원에서 사용된 용어 "길이"는 응집성 기체 분사물을 언급하는 경우 기체가 배출되는 노즐로부터 응집성 기체 분사물의 의도하는 충돌 지점까지 또는 기체 분사물이 응집성이 되지 않는 지점까지의 거리를 의미한다.
본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1, 2, 및 3을 참조하면, 흐름 화살표(1)로 도시된 기체가 노즐(2), 바람직하게는 수렴/발산 노즐을 통과한 후, 랜스(3)로부터 나와 랜스 표면(6) 상의 노즐 구멍(4)를 통과하여 분사 볼륨(7)내에서 응집성 기체 분사물 스트림(5)을 형성한다. 전형적으로, 기체 스트림의 속도는 초당 700 내지 3000피트(fps)의 범위내이다. 바람직하게는, 기체 스트림의 속도는 랜스 표면으로부터 배출시 형성되는 경우에는 초음속이며 20d 이상의 거리 동안 초음속을 유지한다. 도면에는 단 하나의 노즐을 통해 랜스로부터 분사된 단 하나의 응집성 기체 분사물만을 사용하는 구현예를 예시하고 있지만, 본 발명의 실시예에 있어서 하나 이상의 응집성 기체 분사물이 랜스로부터 각 노즐을 통해 분사될 수 있다. 랜스로부터 하나 이상의 응집성 기체 분사물이 사용되는 경우, 일반적으로 이러한 응집성 기체 분사물의 수는 2내지 6개의 범위내이다.
임의의 유효 기체가 본 발명의 실시에 있어서 응집성 분사물을 형성하기 위한 기체로서 사용될 수 있다. 이러한 기체중에서 특히 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 수증기, 및 탄화수소 기체를 언급할 수 있다. 또한, 2 이상의 기체를 포함하는 혼합물, 예를 들어 공기가 본 발명의 실시에 있어서 이러한 기체로서 사용될 수 있다.
도면에서 예시된 바와 같이, 랜스(3)는 바람직하게는 랜스(3)로부터 연장되는 연장부(8)를 가져 랜스(3)로부터 액체 연료 및 기체를 수용하기 위한 분사 볼륨(7)내에 재순환 구역(9)를 형성한다. 기체는 랜스(3)로부터 축상으로 재순환 구역(9)에 제공되어 응집성 기체 분사물(5)를 형성한다. 도 3에 예시된 본 발명의 구현예에서, 기체는 랜스(3)의 중심선 또는 주축과 완전히 일직선으로 제공된다. 랜스(3)의 중심선 또는 주축은 흐름 화살표(1)를 랜스(3)의 전체 축 길이에 대해 연장시켜 생각할 수 있다.
함몰부(10)는 노즐 구멍(4) 둘레의 랜스 표면상에 위치하며, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이, 노즐 구멍(4)을 완전히 원형으로 둘러싸고 있다. 액체 연료(11), 예를 들어 피치, 타르, 임의의 모든 등급의 연료유, 케로센, 및 제트 연료가 하나 이상의 액체 연료 통로(12)에 의해 함몰부 또는 그루브(10)에 제공된다. 일반적으로, 1 내지 16개의 연료 통로가 액체 연료(11)를 함몰부(10)에 제공하는데 사용된다. 액체 연료 통로는 함몰부(10) 둘레에 등간격으로 있을 수 있다. 액체 연료(11)는 통로로부터의 전체 유량이 일반적으로 시간당 5 내지 150갤론(gph)인범위내에서 함몰부(10)로 제공된다. 액체 연료는 통로(12)로부터 함몰부(10)내로 랜스 표면(6)과 실질적으로 평행인 방향으로 제공될 수 있고, 여기서 실질적으로 평행은 완전 평행의 ±30도 범위내임을 의미한다. 그러나, 액체 연료는 임의의 유효 각도로 함몰부(10)에 제공될 수 있다. 일반적으로, 랜스 표면(6)은 랜스(3)의 중심선 또는 주축에 대해 실질적으로 수직으로 배향된다.
구동 기체(13)는 하나 이상의 구동 기체 통로(14)를 통해 함몰부(10)내로 통과하며, 하나 이상의 구동 기체 통로(14)가 사용될 경우 이들은 함몰부(10) 둘레에 등간격으로 있 것이 바람직하다. 구동 기체는 우선적으로 함몰부 내의 액체 연료의 와류를 일으키는데 충분한 각도로 함몰부(10)에 제공된다. 와류는 액체 연료를 분포시키고 함몰부에 탄소가 축적되지 않도록 하는 기능을 한다. 구동 기체는 또한 액체 연료를 분무화시키는 기능을 한다. 전형적으로, 구동 기체(13)는 함몰부(10)의 바닥벽의 수직선에 대해 0 내지 60도 범위내의 각도로 통로(14)로부터 함몰부(10)에 제공된다. 구동 기체(13)는 통로로부터의 전체 유량이 일반적으로 시간당 200 내지 4000 표준평방피트(scfh) 범위내에서 함몰부(10)에 제공된다. 임의의 유효 기체가 본 발명의 실시에 있어서 구동 기체로서 사용될 수 있지만, 바람직하게는 구동 기체는 공기, 산소 농도가 공기의 산소 농도를 초과하는 산소 풍부 공기, 또는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 시판 산소와 같은 산화제이다. 가장 바람직하게는, 구동 기체는 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제이다. 질소 및 수증기와 같은 기타 기체가 구동 기체로서 사용될 수 있다. 가장 바람직하게는, 함몰부로 제공되는 구동 기체의 속도는 음속이다.
함몰부로의 구동 기체의 각도있는 제공에 의한 액체 연료의 우선적인 와류는 함몰부내에서 액체 연료를 분무화시키고 실질적으로 균등하게 분포시키는 역할을 한다. 이것은 후속하여 형성되는 기체 분사물을 둘러싼 플레임 쉬라우드 또는 플레임 엔벨롭의 완전성을 증가시키고, 또한 함몰부의 효과를 감소시키는 그루브 또는 함몰부(10)내 탄소 축적을 최소화하거나 제거하는 기능을 한다. 전형적으로, 그루브 또는 함몰부(10)의 깊이는 0.25 내지 2인치 범위내이다.
액체 연료 및 구동 기체는 분사 볼륨(7), 바람직하게는 분사 볼륨(7)의 재순환 구역(9)내로 환상으로, 즉 기체 분사물(5)을 둘러싸 통과한다. 구동 기체가 산화제인 도 3에 예시된 본 발명의 바람직한 구현예에서, 액체 연료 및 산화제 구동 기체는 재순환 구역(9)내에서 연소되어 기체 분사물(5) 둘레에 플레임 엔벨롭(15)을 형성한다. 재순환 구역(9)를 형성하기 위하여 전형적으로 랜스 표면(6)으로부터 1 내지 10인치 연장된 랜스 연장부(8)를 사용하면 분무화된 액체 연료의 기화 및 기화된 액체 연료의 연소에 의해 형성되는 플레임 엔벨롭의 안정성이 증진된다.
공기, 산소 풍부 공기 또는 시판 산소일 수 있는 2차 또는 쉬라우드 산화제는 랜스(3)으로부터 분사 볼륨(7), 바람직하게는 분사 볼륨(7)의 재순환 구역(9)으로, 함몰부(10)의 외부에 방사상으로 랜스(3) 상에 위치한 하나 이상의 2차 산화제 제공 수단을 통해 통과한다. 연장부(8)가 사용되는 경우, 연장부(8)는 함몰부(10)의 외부에 방사상으로 위치하고 또한 2차 산화제 공급 수단(16)의 외부로 방사상으로 위치한다. 2차 산화제는 전형적으로 500 내지 10,000scfh 범위의 유량으로 랜스(3)으로부터 통과해 나온다. 2차 산화제는 분사 볼륨(7)에서 분무화된 액체 연료와 혼합 및 연소되어 전형적으로 로 구역인 분사 볼륨(7)내에서 기체 분사물(5) 둘레에 플레임 엔벨롭(15)을 형성한다. 기체 스트림(5) 둘레의 플레임 엔벨롭(15)은 분사 볼륨 기체가 기체 스트림(5)으로 빠져나가는 것을 방지하는 기능을 하여, 20d 이상의 거리 동안 기체 스트림(5)의 속도가 현저하게 감소하는 것을 방지하고 기체 스트림(5)의 직경이 현저히 증가하는 것을 방지한다.
도면에 예시된 것과 유사한 장치를 사용하여 일련의 시험을 수행하였다. 시험 조건 및 결과는 예시 목적으로 제공되며 한정하고자 하는 것이 아니다. 각 시험에서, 주된 기체는 순도 99.5몰%인 시판 산소였고 0.62인치의 입구 직경과 0.81인치의 출구 직경을 갖는 수렴/발산 노즐로부터 재순환 구역으로 36000scfh의 유량 및 1600fps의 속도로 제공되었다. 액체 연료는 No.2 연료유였고 35gph의 유량으로 8개의 액체 연료 통로를 통해 함몰부로 제공되었다. 구동 기체는 시판 산소였고 1000 내지 2000scfh의 유량으로 수직선에서 30도 각도의 8개 구동 기체 통로를 통해 함몰부로 제공되었다. 2차 산화제는 시판 산소였고 1000 내지 6000scfh의 유량으로 랜스 표면상의 3 5/16인치 직경 원 위의 16개 구멍을 통해 분사 볼륨으로 공급되었다. 연장부는 내경이 3.5인치였고 랜스 표면으로부터 6인치 길이였다. 이러한 조건하에 형성된 응집성 분사물은 길이가 약 45인치인 것으로 측정되었고 이는 공지된 구조를 사용하고 유사한 조건을 사용하되 플레임 엔벨롭을 형성하기 위해 천연 가스를 사용하여 형성된 응집성 분사물의 길이와 유사하다.
본 발명을 특정 바람직한 구현예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 당업자는 청구 범위의 사상 및 범위 내에서 본 발명의 다른 구현예가 존재함을 인지할 것이다.
종래에는 응집 분사 시스템에서는 분사 랜스로부터 장거리에 걸쳐 기체 분사물의 응집성을 유지하기 위해 필요한 플레임 쉬라우드를 생성하기 위해 기체 연료를 사용하였고, 기체 연료를 액체 연료로 대용한 경우에는 응집 분사에 관하여 만족스러운 결과를 얻을 수 없었다.
그러나, 본 발명에 따른 응집 분사 시스템은 액체 연료를 사용하여 기체 연료를 사용한 경우와 동등한 응집물의 분사성을 달성할 수 있음이 확인되었다.
따라서, 본 발명은 기체 연료 사용보다 액체 연료의 사용이 바람직한 경우에도, 필요한 플레임 쉬라우드를 생성하기 위하여 액체 연료를 효과적으로 사용할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (15)

  1. (A) 하나 이상의 기체 분사물을, 랜스 표면을 갖는 랜스내에 하우징되고 랜스 표면에서 분사 볼륨과 연통해 있는 하나 이상의 노즐로부터 분사 볼륨내로 통과시키는 단계;
    (B) 액체 연료를, 노즐을 둘러싼 랜스 표면상의 함몰부를 통과시키는 단계;
    (C) 구동 기체를 함몰부내로 통과시켜, 함몰부내에 액체 연료의 흐름을 만들고, 액체 연료를 분무화시키고, 함몰부로부터 나오는 분무화된 액체 연료를 분사 볼륨내로 환상으로 통과시켜 기체 분사물로 하는 단계; 및
    (D) 산화제를 분사 볼륨내로 통과시키고 산화제를 분무화된 액체 연료로 연소시켜 기체 분사물 둘레에 플레임 쉬라우드를 형성시키는 단계를 포함하는 응집성 기체 분사물을 생성하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 구동 기체가 산소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 하나의 기체 분사물이 하나의 노즐로부터 분사 볼륨내에 제공됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 액체 연료가 연료유를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 기체 분사물이 초음속 속도로 분사 볼륨내에 제공됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 함몰부내의 연체 연료의 흐름이 와류임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 액체 연료가 랜스 표면과 실질적으로 평행인 방향으로 함몰부내로 통과함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 구동 기체가 함몰부 바닥의 수직선에 대해 60도 이하의 각도로 함몰부내로 제공됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 구동 기체가 음속으로 함몰부내로 제공됨을 특징으로 하는 방법.
  10. (A) 랜스 표면을 갖고 있으며 상기 랜스 표면에 구멍이 있는 하나 이상의 노즐을 갖는 랜스;
    (B) 노즐 구멍을 둘러싼 랜스 표면상의 함몰부;
    (C) 액체 연료를 함몰부에 제공하는 수단, 및 함몰부내에서 액체 연료를 분무화시키기 위하여 구동 기체를 함몰부에 제공하는 수단; 및
    (D) 함몰부의 외부에 방사상으로 위치한, 산화제를 랜스로부터 통과시키는 수단을 포함하는 응집 분사 랜스 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 함몰부가 노즐 구멍을 완전히 둘러쌈을 특징으로 하는 랜스 장치.
  12. 제 10항에 있어서, 함몰부 깊이가 0.26 내지 2.0인치 범위임을 특징으로 하는 랜스 장치.
  13. 제 10항에 있어서, 구동 기체 제공 수단이 함몰부 바닥의 수직선에 대해 60도 이하의 각도로 구동 기체를 함몰부에 제공함을 특징으로 하는 랜스 장치.
  14. 제 10항에 있어서, 랜스 표면으로부터 연장되고 함몰부의 외부에 방사상으로 랜스 상에 위치한 연장부를 추가로 포함함을 특징으로 하는 랜스 장치.
  15. 제 10항에 있어서, 액체 연료를 함몰부에 제공하는 수단이 랜스 표면과 실질적으로 평행인 방향으로 액체 연료를 함몰부에 제공함을 특징으로 하는 랜스 장치.
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