NL1023731C2 - Systeem voor een samenhangende gasstraal zonder verlenging met in lijn liggende openingen voor een vlamomhulsel. - Google Patents

Description

Systeem voor een samenhangende gasstraal zonder verlenging met in lijn liggende openingen voor een vlamomhulsel 5 Deze uitvinding betreft in het algemeen technologie voor samenhangende gasstralen.

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 al. en in het 10 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 brandstof en 15 oxidant, die respectievelijk vanaf de lans worden uitgestoten door twee ringen uitgifte- 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 lans 20 aangebouwde verlenging vormt een beschermde hercirculatiezone waarin de een of meer hoge snelheid gasstralen en de vloeistoffen voor de omhullende vlam worden verschaft vanuit de mondstukken en openingen. Deze hercirculatiezone maakt enige hergebruik van de uitgestoten fluïda 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.

Hoewel de aangebouwde verlenging voor de hercirculatie een verbetering vormt ten opzichte van eerdere systemen voor samenhangende gasstralen, introduceert deze verlenging bepaalde problemen betreffende het ontwerp van de lans en de levensduur 1023731 2 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. Uit EP 965649 is een stelsel bekend voor het verwezenlijken van een coherente 5 straal, waarbij het lansvlak een verlenging heeft om een recirculatiezone te vormen nabij het lansvlak. De gasstraal of -stralen en de brandstof en het oxidans worden uit de lans in deze recirculatiezone, gevormd door de verlenging op de lans, geleid.

Dienovereenkomstig, is het een doel van deze uitvinding te voorzien in een systeem dat effectieve samenhangende gasstralen kan produceren zonder de noodzaak 10 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.

Het bovenste en andere doelen, die duidelijk zullen worden aan de vakman op dit gebied tijdens het lezen van deze beschrijving, worden bereikt door de onderhavige uitvinding, waarvan een aspect is: 15 Een werkwijze voor het instellen van tenminste een samenhangende gasstraal omvattende: - het naar buiten leiden van tenminste een gasstraal uit tenminste een mondstuk, dat is gehuisvest in een lans met een vlak van de lans, waarbij het vlak van de lans een ring van openingen rondom dat tenminste ene mondstuk omvat en waarbij het vlak van 20 de lans een tweede ring van openingen rondom dat tenminste ene mondstuk omvat op radiale afstand van de eerste ring van openingen voorzien, waarbij elke opening van de tweede ring met openingen in lijn ligt met een opening van de eerste ring met openingen; het naar buiten leiden van brandstof uit een van de ringen met openingen en het 25 naar buiten leiden van oxidant uit de andere ring met openingen, 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 wordt gevormd door een aan de lans aangebouwde verlenging; en het verbranden van de brandstof en het oxidant dat uit de eerste en tweede ring 30 met openingen is geleid om een omhullende vlam te produceren rondom de tenminste ene gasstraal.

Een ander aspect van de uitvinding is:

Een lans voor samenhangende gasstralen omvattende: 10 23731 3 - een lans omvattende een vlak aan de lans en tenminste een mondstuk met een opening aan het vlak van de lans, waarbij de lans geen aangebouwde verlenging heeft om een hercirculatiezone te vormen grenzend aan het vlak van de lans; - een eerste ring met openingen rondom een of meer openingen van het mondstuk 5 en een tweede ring met openingen op een radiale afstand van de eerste ring voorzien met openingen rondom een of meer openingen van het mondstuk, waarbij elke opening van de tweede ring met openingen in lijn ligt met een opening van de eerste ring met openingen; en - middelen om brandstof te verschaffen aan een van de ringen met openingen en 10 middelen om oxidant te verschaffen aan de andere ring met openingen.

Zoals hier gebruikt, betekent de term “straal van het vlak van de lans” een denkbeeldige lijn die verloopt vanaf het middelpunt van het vlak van de lans naar de omtrek van het vlak van de lans.

Zoals hier gebruikt betekent de term “in lijn liggend” dezelfde straal van het vlak 15 van de lans doorsnijdend.

Zoals hier gebruikt, betekent de term “aangebouwde verlenging”, elk systeem al dan niet fysiek verbonden met de lans, die dient om een beschermd volume of gebied te vormen grenzend aan het vlak van de lans.

Zoals hier gebruikt, betekent de term “vlak van de lans” het oppervlak van een 20 lans grenzend aan een injectievolume.

Zoals hier gebruikt, betekent de term “samenhangende straal” een gasstraal die wordt gevormd door het uitstoten van gas door een mondstuk en die een snelheid- en 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 25 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.

Zoals hier gebruikt betekent wanneer wordt verwezen naar een samenhangende gasstraal de term “lengte”, de afstand vanaf het mondstuk waaruit het gas wordt 30 uitgestoten naar het bedoelde punt van impact van de samenhangende gasstraal of naar daar waar de samenhang van de gasstraal ophoudt.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekeningen afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden.

1023731 4

Figuur 1 is een bovenaanzicht van een voorkeursuitvoering van een vlak 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.

Figuur 3 toont de uitvoering van de uitvinding zoals getoond in figuren 1 en 2 5 tijdens gebruik. De nummers in de tekeningen zijn gelijk voor gemeenschappelijke onderdelen.

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 10 opening van het mondstuk of openingen 4 op vlak 6 van de lans om een 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 15 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 praktijk van deze uitvinding liggen in een bereik van 1 tot 6. Bij voorkeur is het 20 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 centrale as van de lans.

25 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 of meer gassen, zoals bijvoorbeeld lucht, voor een dergelijk gas worden gebruikt in de praktijk van deze 30 uitvinding.

Een eerste ring 30 met openingen bevindt zich aan de lans rondom de opening of openingen 4 van het mondstuk en een tweede ring 31 met openingen bevindt zich aan de lans rondom de opening of openingen 4 van het mondstuk, waarbij de tweede ring 1023731 5 op een radiale buitenwaartse afstand van de eerste ring 30 met openingen zich bevindt. Ring 30 is bij voorkeur een cirkel met een diameter in het bereik van 1,5 tot 2,0 inches en ring 31 is bij voorkeur een cirkel met een diameter in het bereik van 1,75 tot 23 inches. Elke ring 30 en 31 zal in het algemeen vanaf 4 tot 48 openingen omvatten, 5 waarbij elke opening bij voorkeur een cirkel is met een diameter in het bereik van 0,05 tot 1,25 inch. Elke opening van de tweede ring 31 met openingen ligt in lijn met een opening van de eerste ring 30 met opening hoewel de doeltreffendheid van de uitvinding niet verloren gaat indien ofwel de eerste ring 30 ofwel de tweede ring 31 ofwel beide ringen 30 en 31 een of een klein aantal aanvullende openingen bevatten, 10 die niet in lijn liggen met een opening van de andere ring. Brandstof wordt geleverd aan een van de twee ringen met openingen, bij voorkeur de binnenste of eerste ring 30, en oxidant wordt geleverd aan de andere ring met openingen, bij voorkeur de buitenste of tweede ring 31. Brandstof en oxidant worden uitgestoten vanaf lans 3 uit hun respectievelijke ring met openingen in injectievolume 7. De snelheid van brandstof en 15 oxidant, die is uitgestoten vanaf de ring met openingen kan subsonisch, sonisch of supersonisch zijn. Sonisch en supersonische snelheden van de geïnjecteerde brandstof en oxidant verhoogt de afstoting van vreemde materie dat in de openingen binnendringt en deze verstopt, hetgeen van speciaal belang is wanneer de uitvinding wordt toegepast in een ruwe omgeving, zoals een oven voor staalproductie. Indien gewenst, kan de 20 snelheid van de geïnjecteerde brandstof en oxidant supersonisch zijn met een snelheid groter dan Mach 1 tot aan Mach 2.

De brandstof die wordt uitgestoten door openingen is bij voorkeur gasvormig en kan elke brandstof zijn zoals methaan of aardgas. Het oxidant dat wordt uitgestoten vanaf openingen kan lucht zijn, zuurstofverrijkte lucht met een zuurstofconcentratie 25 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.

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 30 injectievolume zoals een smeltoven voor metalen om een omhullende vlam of vlamdeken 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 1023731 6 belemmeren een significante daling te ondergaan en de diameter van de gasstromen te weerhouden van een significante toename, over tenminste een afstand van 20d vanaf de respectievelijke uitlaat van het mondstuk. Dat wil zeggen, de omhullende vlam of vlamdeken dient om gasstromen 5 in te stellen en vast te houden als samenhangende 5 gasstralen over een afstand van tenminste 20d vanaf de respectievelijke uitlaat van het mondstuk.

Een belangrijk aspect van de uitvinding en een aanzienlijk voordeel van deze uitvinding is de mogelijkheid om effectieve samenhangende gasstralen uit een lans te vormen zonder de noodzaak een aan de lans aangebouwde verlenging te gebruiken. Tot 10 nu toe is een aan de lans aangebouwde verlenging gebruikt om een beschermde hercirculatiezone te vormen aangrenzend aan het vlak van de lans om de ontsteking en verbranding van de omhullende gasvlam die worden geïnjecteerd in deze beschermde hercirculatiezone te verbeteren, en aldus de samenhang van de gasstralen verbeteren. Hoewel het gebruik van een dergelijke verlenging aan een lans een significante 15 verbetering is ten opzichte van de eerste praktijk van samenhangende gasstralen, zijn er echter problemen met het gebruik van een dergelijke verlenging. ïn de praktijk van deze uitvinding, worden de gassen die worden uitgestoten uit de lans direct aan het injectievolume doorgegeven zonder door een beschermde zone of hercirculatiezone te leiden, die wordt gevormd door een aan de lans aangebouwde verlenging, nochtans 20 wordt dezelfde verbeterde samenhang bereikt, die men waarneemt bij het gebruik van een aan een lans aangebouwde verlenging.

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 vlamdeken. De bij de proeven gebruikte brandstof was aardgas en het bij de 25 proeven gebruikte oxidant had een zuurstofconcentratie van 99 mol procent en 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 het primaire zuurstof. De proeven worden hieronder gerapporteerd en worden gepresenteerd ter illustratie en zijn 30 niet als beperking bedoeld.

Elk van de vier mondstukken werd ontworpen om een toevoer van 10.000 standard cubic feet per hour (scfh) primair zuurstof toe te laten met een toevoerdruk van 165 pounds per square inch gauge (psig) van een totale primaire zuurstoftoevoer 1023731 7 van 40.000 scfh. Elk mondstuk had een uitlaatdiameter en een halsdiameter van respectievelijk 0.38 inch en 0.26 inch respectievelijk en had een ten opzichte van de centrale as van de lans buitenwaartse hoek van 12 graden. De brandstof werd geleverd aan een binnenste ring met 16 openingen, met elk een diameter van 0.154 inch, waarbij 5 de diameter van de ring 1.56 inches was. Met een vergelijkende test als doel werd het secundaire zuurstof verschaft aan een buitenste ring met 12 openingen, met elk een diameter van 0.23 inch, diameter van de ring 2.125 inches was, en waarbij de openingen verspringend of zigzag-gewijs lagen met betrekking tot de openingen van de binnenste ring. De brandstof en secundaire zuurstofstromen waren 5000 scfh en 4000 10 scfh respectievelijk, hetgeen resulteerde in snelheden van respectievelijk 670 fps en 320 fps. De lans had een aangebouwde verlenging voor hercirculatie met een lengte van 0,5 inch. Dit conventionele ontwerp bracht goede coherente gasstralen voort met een lengte van ongeveer 18 inches, maar de lengte viel terug naar 16 inches, indien de lengte van de aangebouwde verlenging voor hercirculatie werd beperkt tot 0,25 inch en 15 viel verder terug tot 14 inches, wanneer de lengte van de aangebouwde verlenging voor hercirculatie werd beperkt tot 0,1 inch. Zonder enige aangebouwde verlenging voor hercirculatie werd de omhullende vlam onstabiel en verloor de gasstraal samenhang.

De test werd herhaald maar onder gebruikmaking van de uitvinding, waarbij de buitenste ring 16 openingen had met een diameter van 0,199 inch, elke opening in lijn 20 liggend met een opening van de binnenste ring. Hierbij was er geen afname in de lengte van de samenhangende gasstralen en, zelfs zonder een aangebouwde verlenging aan de lans, waren de samenhangende gasstralen stabiel en hadden een lengte van 18 inches.

In aanvulling op de hierboven beschreven testen, die gebruik maakten van een opstelling met vier mondstukken, gelijk met de opstelling zoals getoond in de 25 tekeningen, werden er testen en vergelijkende testen overeenkomstig met de hierboven beschreven testen uitgevoerd met een lans met een enkelvoudig mondstuk, waarbij de binnenste ring een diameter heeft van 2,0 inch met 16 openingen met een diameter van 0,154 inch, en waarbij de buitenste ring een diameter heeft van 2,75 inch met 16 openingen met een diameter van 0,199 inch. In een van de testseries lagen de 30 openingen van de buitenste ring verspringend ten opzichte van de openingen van de binnenste ring en bij een andere testserie lagen de openingen van de buitenste ring in lijn met de openingen van de binnenste ring. Het mondstuk had een uitlaatdiameter en halsdiameter van respectievelijk 0,81 inch en 0,62 inch en primaire zuurstof werd 1023731 » 8 toegevoerd bij 36.000 scfh bij 100 psig. De stroomsnelheden en snelheden van brandstof en secundair zuurstof waren hetzelfde als in de hiervoor beschreven testen. Wanneer de lengte van de aangebouwde verlenging verminderd werd naar minder dan 0,5 inch vertoonde de vlamdeken plotselinge instabiliteiten met de verspringende of de 5 in lijn liggende opstelling en daalde de lengte van de coherente gasstraal aanzienlijk van ongeveer 50 inches naar minder dan 40 inches. Met de in lijn liggende opstelling van de onderhavige uitvinding, bleef de omhullende vlam echter stabiel en bleef de lengte van de coherente gasstraal ongeveer 50 inches zelfs zonder een aangebouwde verlenging aan de lans.

10 [0027] 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 omvattende: 5. het naar buiten leiden van tenminste een gasstraal uit tenminste een mondstuk, dat is opgenomen in een lans met een vlak van de lans, waarbij het vlak van de lans een ring van openingen rondom dat tenminste ene mondstuk omvat en waarbij het vlak van de lans een tweede ring van openingen rondom dat tenminste ene mondstuk omvat op radiale afstand 10 geplaatst van de eerste ring van openingen voorzien, waarbij elke opening van de tweede ring met openingen in lijn ligt met een opening van de eerste ring met openingen; het naar buiten leiden van brandstof uit een van de ringen met openingen en het naar buiten leiden van oxidant uit de andere ring met openingen, 15 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 gaan, die wordt gevormd door een aan de lans aangebouwde verlenging; en - het verbranden van de brandstof en het oxidant dat uit de eerste en tweede 20 ring afkomstig is bij het voortbrengen van een vlamomhulsel om die ten minste ene gasstraal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 waarbij de een of meer gasstralen, die naar buiten uit de lans zijn geleid een supersonische snelheid hebben. 25

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

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies waarbij de snelheid van de 30 brandstof en het oxidant die uit de eerste en tweede ring met openingen naar buiten gaan sonisch is. 1023731 %

5. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies waarbij de snelheid van de brandstof en het oxidant die uit de eerste en tweede ring met openingen gaan supersonisch is.

6. 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 in een oven voor gesmolten metaal.

7. Werkwijze volgens een van de voorgaand conclusies waarbij de tenminste ene 10 gasstraal over een afstand van tenminste 20d verloopt, waarbij d de uitlaatdiameter van het mondstuk is van waaruit de gasstraal wordt geleid, terwijl de diameter van de gasstraal in hoofdzaak constant wordt gehouden.

8. Lans voor samenhangende gasstralen omvattende: 15. een lans omvattende een vlak aan de lans en met tenminste een mondstuk met een opening aan het vlak van de lans, waarbij de lans geen aangebouwde verlenging heeft om een hercirculatiezone te vormen grenzend aan het vlak van de lans; - een eerste ring met openingen rondom de een of meer openingen van het 20 mondstuk en een tweede ring met openingen op een radiale afstand van de eerste ring van openingen voorzien rondom de een of meer openingen van het mondstuk, waarbij elke opening van de tweede ring met openingen in lijn ligt met een opening van de eerste ring met openingen; en middelen om brandstof aan een van de ringen met openingen te verschaffen 25 en middelen om oxidant aan de andere ring van openingen te verschaffen.

9. Lans voor samenhangende gasstralen volgens conclusie 8 met een veelheid aan mondstukken.

10. Lans voor samenhangende gasstralen volgens conclusie 8 of 9 waarbij elk mondstuk is gedraaid weg vanaf de hartlijn van de lans. 1023731