NL1023519C2 - Systeem voor een samenhangende gasstraal met een enkelvoudige ringvormige omhullende vlam. - Google Patents

Description

Systeem voor een samenhangende gasstraal met een enkelvoudige ringvormige omhullende vlam 5 [0001] Deze uitvinding betreft in het algemeen technologie voor samenhangende gasstralen.

[0002] Een recente significante vooruitgang op het gebied van lansen voor gasstralen is de ontwikkeling van de technologie voor samenhangende gasstralen, bijvoorbeeld beschreven in het Amerikaanse octrooi nummer 5,814,125 - Anderson et 10 al. en in het Amerikaanse octrooi nummer 6,171,544 - Anderson et al. In de praktijk van deze technologie worden een of meer hoge snelheid gasstralen, die worden uitgestoten uit een of meer mondstukken, over een relatief lange afstand samenhangend gehouden door het gebruik van een omhullende vlam rondom en langs een of meer hoge snelheid gasstralen. De omhullende vlam wordt gevormd door het verbranden van 1 15 brandstof en oxidant, die respectievelijk vanaf de lans worden uitgestoten door twee ringen openingen, een binnenste ring en een buitenste ring, rondom een of meer hoge snelheid mondstukken voor gas. Kenmerkend wordt de brandstof voor de omhullende vlam uitgestoten uit de binnenste ring openingen en wordt het oxidant voor de omhullende vlam uitgestoten uit de buitenste ring openingen. Een aan de omtrek van de 20 lans aangebouwde verlenging vormt een beschermde hercirculatie-zone waarin de een of meer hoge snelheid gasstralen en de vloeistoffen voor de omhullende vlam worden verschaft vanuit de mondstukken en openingen. Deze hercirculatie-zone maakt enige hergebruik van de uitgestoten fluida mogelijk, hetgeen verbeterde ontsteking en verbeterde stabiliteit van de omhullende vlam mogelijk maakt, en aldus de samenhang 25 en de lengte van de een of meer hoge snelheid gasstralen verhoogt. De een of meer samenhangende gasstralen kunnen worden gebruikt om gas in een vloeistof over te brengen, zoals gesmolten metaal, vanaf een relatief grote afstand boven het oppervlak van de vloeistof. Een zeer belangrijke toepassing van deze technologie voor samenhangende gasstralen is om zuurstof te verschaffen voor het gebruik bij 30 staalfabricage, zoals elektrische vlamboogovens en reguliere zuurstofovens.

In GB 957110 wordt een brander beschreven voor het smelten of verwarmen van metaal. Daarbij is geen voorziening aanwezig om een bijzonder gevormde vlam te verwezenlijken zodat de omtreksgassen direct in de centrale 1023519 2 gasstraal geblazen worden. Daarmee wordt getracht een vlam met goede verbranding te verkrijgen.

[0003] Hoewel de aangebouwde verlenging voor de hercirculatie een verbetering vormt ten opzichte van eerdere systemen voor samenhangende gasstralen, introduceert 5 deze verlenging bepaalde problemen betreffende het ontwerp van de lans en de levensduur van de lans ten gevolge van de noodzaak om de tip met water te koelen. Deze problemen zijn in het bijzonder van belang wanneer het systeem voor samenhangende gasstralen gebruikt wordt in een zeer ruwe omgeving zoals een reguliere zuurstofoven.

10 [0004] Dientovereenkomstig, is het een doel van deze uitvinding te voorzien in een systeem dat effectieve samenhangende gasstralen kan produceren zonder de noodzaak voor een aan de lans aangebouwd verlenging of een ander element om een hercirculatie-zone voor de vanaf de lans uitgestoten gassen in te stellen.

[0005] Het bovenste en andere doelen, die duidelijk zullen worden aan de vakman 15 op dit gebied tijdens het lezen van deze beschrijving, worden bereikt door de onderhavige uitvinding, waarvan een aspect is:

[0006] Een werkwijze voor het instellen van tenminste een samenhangende gasstraal omvattende: (A) het naar buiten leiden van tenminste een gasstraal uit tenminste een 20 mondstuk, dat is geplaatst in een lans met een vlak van de lans, waarbij het vlak van de lans een ring van openingen rondom dat tenminste ene mondstuk heeft; (B) het naar buiten leiden van brandstof uit een eerste set van openingen van die ring en het naar buiten leiden van oxidant uit een tweede set openingen van de ring; en (C) het verbranden van de brandstof en het oxidant dat uit de eerste en tweede set 25 van openingen van de ring is geleid om een omhullende vlam te produceren rondom de tenminste ene gasstraal.

[0007] Een ander aspect van de uitvinding is:

[0008] Een lans voor samenhangende gasstralen omvattende: (A) een lans met een vlak aan de lans en met tenminste een mondstuk met een 30 opening aan het vlak van de lans; (B) een ring van openingen op het vlak van de lans rondom een of meer openingen van het mondstuk; en 1023519 3 (C) middelen om brandstof te verschaffen aan een eerste set openingen van die ring en middelen om oxidant te verschaffen aan een tweede set van openingen van de ring.

[0009] Zoals hier gebruikt betekent de term “vlak van de lans” het oppervlak van 5 de lans grenzend aan een injectievolume.

[0010] Zoals hier gebruikt betekent de term “samenhangende straal” een gasstraal die wordt gevormd door het uitstoten van gas door een mondstuk en die een snelheiden inpulsprofiel heeft over een lengte van tenminste 20d, waarbij d de uitlaatdiameter is van het mondstuk, die gelijk is aan de diameter van zijn snelheid- en inpulsprofiel bij 10 de uitstoot vanaf het mondstuk. Een andere methode om een samenhangende gasstraal te beschrijven is een gasstraal die in zijn diameter weinig of geen veranderingen kent over een afstand van tenminste 20d.

[0011] Zoals hier gebruikt betekent wanneer wordt verwezen naar een samenhangende gasstraal de term “lengte”, de afstand vanaf het mondstuk waaruit het 15 gas wordt uitgestoten naar het bedoelde punt van impact van de samenhangende gasstraal of naar daar waar de samenhang van de gasstraal ophoudt.

[0012] De uitvinding zal in detail worden beschreven onder verwijzing naar de figuren.

[0013] Figuur 1 is een bovenaanzicht van een voorkeursuitvoering van een vlak 20 van de lans en Figuur 2 is een zijaanzicht in dwarsdoorsnede van een voorkeursuitvoering van een lans met een vlak, dat kan worden gebruikt in de praktijk van deze uitvinding.

[0014] Figuur 3 toont de uitvoering van de uitvinding zoals getoond in Figuren 1 en 2 tijdens gebruik. De nummers in de tekeningen zijn gelijk voor gemeenschappelijke 25 onderdelen.

[0015] Onder verwijzing naar Figuren 1,2 en 3, wordt gas zoals aangegeven met pijl 1 doorgegeven door tenminste een mondstuk 2, bij voorkeur een convergerend/divergerend mondstuk, en vervolgens naar buiten uit lans 3 door de opening van het mondstuk of openingen 4 op vlak 6 van de lans om een 30 samenhangende stroom of stromen van gasstralen in injectie volume 7 te vormen.

Kenmerkend ligt de snelheid van één of meer gasstromen 5 binnen het bereik van 700 tot 3000 feet per seconde (fps). Bij voorkeur is de snelheid van de één of meer gasstromen 5 supersonisch wanneer deze wordt gevormd tijdens de uitstoot uit het vlak 1023519 4 van de lans en blijft supersonisch over een lengte van tenminste 20d. Hoewel de figuren een uitvoering tonen die vier samenhangende gasstralen gebruikt, die worden uitgestoten uit de lans door respectievelijk vier mondstukken, kan het aantal gasstralen, dat vanaf de lans wordt uitgestoten uit de achtereenvolgende mondstukken in de 5 praktijk van deze uitvinding liggen in een bereik van 1 tot 6. Bij voorkeur is het injectievolume waarin de samenhangende gasstraal wordt geïnjecteerd een metaal-producerende oven zoals een oven voor staalfabricage. Indien een veelheid aan mondstukken wordt gebruikt, is met zeer veel voorkeur elke mondstuk in zijn lengterichting naar het einde van de lans toe weg van elkaar gericht en weg vanaf de 10 centrale as van de lans.

[0016] Elk effectief gas kan worden gebruikt als het gas om een of meer samenhangende gasstralen te vormen in de praktijk van deze uitvinding. Onder dergelijke gassen kan men verstaan zuurstof, stikstof, argon, koolstofdioxide, waterstof, helium, stoom en koolwaterstofgassen. Bovendien kunnen mengsels omvattende twee 15 of meer gassen, zoals bijvoorbeeld lucht, voor een dergelijk gas worden gebruikt in de praktijk van deze uitvinding.

[0017] Een ring 20 van openingen bevindt zich op het vlak van de lans rondom de mondstukuitlaat of openingen 4. Ring 20 is bij voorkeur een cirkel met een diameter die ligt in het bereik van 1,5 tot 16 inches. Algemeen gesproken zal ring 20 vanaf 12 tot 20 48 openingen omvatten. Elke opening is bij voorkeur een cirkel met een diameter die ligt in het bereik van 0,05 tot 0,5 inch. Zoals getoond in de figuren ligt de ring met openingen met zeer veel voorkeur in een uitsparing of groef 21 op vlak 6 van de lans. Kenmerkend heeft uitsparing 21 een diepte die ligt in de bereik van 0,05 inch tot 2 inch en een breedte in de bereik van 0,05 tot 0,5 inch.

25 [0018] Brandstof wordt geleverd aan een eerste set van openingen 22 op ring 20 en oxidant wordt geleverd aan een tweede set van openingen 23 op ring 20. Zoals getoond in Figuur 1 wisselt de eerste set van openingen 22, bij voorkeur met de tweede set van openingen 23 op ring 20, zodat elke brandstof-opening 22 twee oxidant-openingen 23 heeft grenzend aan elke kant van die brandstof-opening, en elke oxidant-opening 23 30 twee brandstof-openingen 22 heeft grenzend aan elke zijde van de oxidant-opening. De brandstof en oxidant worden uitgestoten vanaf lans 3 uit de achtereenvolgende openingen daarvan in injectievolume 7. De snelheid van de brandstof en oxidant, die worden uitgestoten uit de ring met openingen kan supersonisch zijn maar is bij 1023519 5 voorkeur op sonische snelheid. Sonische snelheid van de geïnjecteerde brandstof en oxidant verhoogt de afstoting van vreemde materie dat in de openingen binnendringt en deze verstopt, hetgeen speciaal van belang is wanneer de uitvinding wordt toegepast in een ruwe omgeving, zoals een oven voor staalproductie. Indien gewenst, kan de .

5 snelheid van de geïnjecteerde brandstof en oxidant supersonisch zijn met een snelheid groter dan Mach 1 tot aan Mach 2.

[0019] De brandstof die wordt uitgestoten door openingen 22 is bij voorkeur gasvormig en kan elke brandstof zijn zoals methaan of aardgas. Het oxidant dat wordt uitgestoten vanaf openingen 23 kan lucht zijn, zuurstofverrijkte lucht met een 10 zuurstofconcentratie groter dan die van lucht, of commerciële zuurstof met een zuurstofconcentratie van tenminste 90 mol procent. Bij voorkeur is het oxidant een vloeistof met een zuurstofconcentratie van tenminste 25 mol procent.

[0020] De brandstof en het oxidant die uit de lans naar buiten passeren vormen een omhullend gas rondom een of meer gasstralen 5 die verbranden binnen het I 15 injectievolume zoals een smeltoven voor metalen om een omhullende vlam of vlam- deken 24 rondom een of meer gasstralen 5 te vormen. De omhullende vlam 24 rondom de gasstromen 5 dient om omgevingsgas er van te weerhouden in de gasstromen naar binnen te worden gezogen, en hierdoor de snelheid van gasstromen te belemmeren een , significante daling te ondergaan en de diameter van de gasstromen te weerhouden van 20 een significante toename, over tenminste een afstand van 20d vanaf de respectievelijke uitlaat van het mondstuk. Dat wil zeggen, de omhullende vlam of vlam-deken dient om gasstromen 5 in te stellen en vast te houden als samenhangende gasstralen over een afstand van tenminste 20d vanaf de respectievelijke uitlaat van het mondstuk.

[0021] Een aanzienlijk voordeel van deze uitvinding is de mogelijkheid om 25 effectieve samenhangende gasstralen uit een lans te vormen zonder de noodzaak een aan de lans aangebouwde verlenging te gebruiken. Tot nu toe is een aan de lans aangebouwde verlenging gebruikt om een beschermde hercirculatie-zone te vormen aangrenzend aan het vlak van de lans om de ontsteking en verbranding van de omhullende gasvlam die worden geïnjecteerd in deze beschermde hercirculatie-zone te 30 verbeteren, en aldus de samenhang van de gasstralen verbeteren. Hoewel het gebruik van een dergelijke verlenging aan een lans een significante verbetering is ten opzichte van de eerste praktijk van samenhangende gasstralen, zijn er echter problemen met het gebruik van een dergelijke verlenging. In de praktijk van deze uitvinding, worden de 1023519 6 gassen die worden uitgestoten uit de lans direct aan het injectievolume doorgegeven zonder door een beschermde zone of hercirculatie-zone te leiden, die wordt gevormd door een aan de lans aangebouwde verlenging, nochtans wordt dezelfde verbeterde samenhang bereikt, die men waarneemt bij het gebruik van een aan een lans 5 aangebouwde verlenging.

|0022] Proeven werden uitgevoerd om de effectiviteit van de uitvinding te evalueren door het gebruik van een aantal verschillende ontwerpen voor de toevoer van het gas voor de vlam-deken. De bij de proeven gebruikte brandstof was aardgas en het bij de proeven gebruikte oxidant had een zuurstofconcentratie van 99 mol procent en 10 wordt aangeduid als het secundaire zuurstof. In elke proef had de lans vier mondstukken voor het verschaffen van de gasstralen. Het gas voor de gasstralen was zuurstof met een zuiverheid van 99 mol procent en wordt aangeduid als de primaire zuurstof. De proeven worden hieronder gerapporteerd en worden gepresenteerd ter illustratie en zijn niet als beperking bedoeld.

15 [0023] Proeven werden uitgevoerd om de effectiviteit van de uitvinding te evalueren en om de rol van aardgas (AG) en de afstand tussen de openingen voor het oxidant beter te begrijpen. De proeven werden uitgevoerd door het aantal openingen voor de vlam-deken constant te houden op totaal 16 (8 AG en 8 oxidant), terwijl de afstand tussen de openingen werd gevarieerd door de diameter van de cirkel te variëren. 20 De cirkeldiameter van de hoofd-mondstuk werd constant gehouden. Ringvormige groeven werden getest om de stabilisatie van de vlam te ondersteunen. Hieronder, wordt de landverhouding (LV) gedefinieerd als de afstand tussen de omtrekken van de openingen (land) gedeeld door de som van de radii van de openingen, LV = Land/(Rs0 + Rag). Bij elke proef werd de brandstof en het oxidant toegevoerd door wisselende 25 openingen op de enkelvoudige ring rondom de mondstukken.

Injector ontwerp:

Injector # 1 was een ontwerp met 16 openingen in totaal. De cirkel diameter was 2.125-in. De landverhouding, LV = 0.67.

30 - Injector # 2 was een ontwerp met 16 openingen in totaal. De cirkel diameter was 3.25-in. De landverhouding, LV = 1.56. Injector # 3 was een ontwerp met 16 openingen in totaal. De cirkel diameter was 4.25-in. De landverhouding, LV = 2.34.

ï 0 :: ^> 7

Proef-condities:

Primair zuurstof = 40,000 standaard cubic feet per hour (scfh) zuurstof (165 psig toevoer druk) 5 - Hoofd mondstukken = 0.38-in./0.26-in.

uitlaat-naar-hals diam., buitenwaartse hoek 12° AG snelheid = 670 fps (@ 5,000 scfh) secondaire zuurstof snelheid = 320 fps ( @ 4,000 scfh) geen aangebouwde verlenging aan de lans voor hercirculatie 10 - groeven = 0.281 -in. breedte x 0.25-in. diepte

[0024] Injector # 1: Bij een constante AG stroom van 5,000 scfh, werden uitstekende samenhangende gasstralen bereikt, kenmerkend met een lengte van 20-in, hetgeen de lengte van het conventionele ontwerp met twee ringen overschrijdt. De vlam was stabiel in een breed bereik van proef-condities. Deze injector werd niet getest met 15 een ringvormige groef.

[0025] Injector # 2: Zonder een groef, verminderde de lengte van de samenhangende gasstraal enigszins in vergelijking met injector # 1. Indien een groef werd toegevoegd verbeterde de lengte van de samenhangende gasstraal en overschreed deze de resultaten behaald met injector # 1.

20 [0026] Injector # 3: Zonder een groef, was de lengte van de samenhangende gasstraal substantieel korter. De vlam was werkzaam in een opgerichte toestand, hetgeen de kortere samenhangende gasstralen veroorzaakte. Toevoeging van een groef stabiliseerde de omhullende deken, hetgeen resulteerde in een volledig herstel van de lengte van de samenhangende gasstraal.

25 [0027] Met als doel om mogelijke verstopping van de openingen voor het installeren van de omhulling in een reguliere zuurstofoven te elimineren, werden proeven uitgevoerd om waar te nemen of de openingen konden worden gebruikt bij sonische stroom-condities. Verschillende ontwerpen met een enkelvoudige ring werden getest. De openingen voor aardgas en secundair zuurstof werden ingesteld om te 30 werken bij Mach 1, waarbij de stroomsnelheden van aardgas en secundair zuurstof respectievelijk 5,000 scfh en 4,000 scfh waren. Ringvormige groeven met verschillende dieptes werden toegevoegd om de omhullende vlam-deken te stabiliseren.

10:N ' δ

Injector ontwerpen:

Injector # 4 was een ontwerp met een enkelvoudige ring met in totaal 32 openingen. De openingen voor AG en secundair zuurstof waren 0.10-in. Ringdiameter = 2.0 inches en LV = 0.96 5 inches.

Injector # 5 was een ontweip met een enkelvoudige ring met in totaal 24 openingen. De diameters van de openingen voor AG en secundair zuurstof waren 0.115-in. Ringdiameter = 2.0 inches en LV = 1.28 inches.

10 - Injector # 6 was een ontwerp met een enkelvoudige ring met in totaal 16 openingen. De diameters van de openingen voor AG en secundair zuurstof waren 0.141-in. Ringdiameter = 2.0 inches en LV = 1.79 inches.

Injector # 7 was een ontwerp met een enkelvoudige ring met in 15 totaal 32 openingen. De diameters van de AG en secundair zuurstof waren 0.10-in. Ringdiameter = 2.75 inches en LV = 1.70 inches.

Proef-condities 20 - Primair zuurstof = 40,000 scfh zuurstof (165 psig toevoer druk)

Mondstukken = 0.38-in./0.26-in. uitlaat-naar-hals diam., buitenwaartse hoek 12° AG snelheid = 1364 fps ((Mach 1) (@ 5,000 scfh) 25 - Sec. zuurstof snelheid = 982 fps (Mach 1) (@ 4,000 scfh)

Geen aan de lans aangebouwdeverlenging Groefafmetingen = divers (Breedte x Diepte) |0028] Injector # 4: Zonder een groef was de lengte van de samenhangende 30 gasstraal slecht, hetgeen het resultaat was van een onthechte vlam. Goede samenhangende gasstralen werden bereikt voorde 1.25Dxl.25D en 1.25Dx2D groeven.

[Groef aanduiding = breedte x diepte; D = diameter opening].

1023519 9 |0029j Injector # 5: Zonder de groef was de lans moeilijk om aan te steken (onstabiel). Goede samenhangende gasstralen werden bereikt bij de lDxlD, lDxl.5D en 1Dx2D groeven.

[0030] Injector # 6: Zonder de groef was de lans zeer moeilijk aan te steken; de 5 lengtes van de samenhangende gasstraal waren in wezen gelijk aan de waarden bij afwezigheid van de vlam-deken. De groef stabiliseerde de ontbranding van de omhullende vlam; echter er werden relatief slecht samenhangende gasstralen bereikt zelfs met een behoorlijk diepe 1Dx2D groef.

[0031] Injector # 7: Zonder de groef, werden slecht samenhangende gasstralen 10 bereikt. Goed samenhangende gasstralen werden bereikt met een 1.25Dx 1.25D groef.

[0032] Hoewel de uitvinding in detail is beschreven onder verwijzing naar bepaalde voorkeursuitvoeringen, zullen de vakmensen op dit gebied erkennen dat er andere uitvoeringen zijn van de uitvinding die binnen de geest en de reikwijdte van de conclusies vallen.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het instellen van tenminste een samenhangende gasstraal met het kenmerk dat die werkwijze omvat: 5 (A) het naar buiten leiden van tenminste een gasstraal uit tenminste een mondstuk, dat is geplaatst in een lans met een vlak aan de lans, waarbij het vlak van de lans een ring van openingen rondom dat tenminste ene mondstuk heeft; (B) het naar buiten leiden van brandstof uit een eerste set openingen van de ring en het naar buiten leiden van oxidant uit een tweede set openingen 10 van de ring; en (C) het verbranden van brandstof en oxidant, dat naar buiten uit de eerste en tweede set openingen van de ring is geleid om een omhullende vlam te produceren rondom de tenminste ene gasstraal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 waarin een veelheid van gasstralen naar buiten uit de lans worden geleid.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 waarbij de brandstof en het oxidant naar buiten worden geleid uit respectievelijk de eerste set openingen en de tweede set 20 openingen, die op de ring met openingen wisselen.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies waarbij de tenminste ene gasstraal en de brandstof en het oxidant naar buiten uit de lans worden geleid direct in een injectievolume zonder door een hercirculatiezone te leiden, die 25 wordt gevormd door een aan de lans aangebouwde verlenging.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies waarbij de tenminste ene gasstraal over een afstand van tenminste 20 d verloopt, waarbij d de uitlaatdiameter van het mondstuk is van waaruit de gasstraal wordt geleid, terwijl 30 de diameter van de gasstraal in hoofdzaak constant wordt gehouden.

6. Lans voor samenhangende gasstralen omvattende: 1023519 (A) een lans met een vlak aan de lans en met tenminste een mondstuk met een opening aan het vlak van de lans; (B) een ring met openingen op het vlak van de lans rondom de een of meer openingen van het mondstuk; en 5 (C) middelen om brandstof aan een eerste set van openingen van de ring te verschaffen en middelen om oxidant aan een tweede set van openingen van de ring te verschaffen.

7. Lans voor samenhangende gasstralen volgens conclusie 6 met een veelheid aan 10 mondstukken.

8. Lans voor samenhangende gasstralen volgens conclusies 6 of 7 waarbij de ring met openingen in een uitsparing op het vlak van de lans ligt.

9. Lans voor samenhangende gasstralen volgens een der conclusies 6-8 waarbij de eerste set openingen afwisselt met de tweede set van openingen.

10. Lans voor samenhangende gasstralen volgens een der conclusies 6-9 die geen aangebouwde verlenging heeft om een hercirculatie-zone te vormen grenzend aan 20 het vlak van de lans. .