TW486558B - System for providing proximate turbulent and coherent gas jets - Google Patents

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486558 A7 B7 五、發明說明（ 圍 範 術 技 於術 關技 有程 係工 明射景 發噴背 本體術 氣技 於 關 有 是 別 特 更 學 力 動 SMMW 氣 般

G 噴程可 聚Η射 凝種噴 爲此體 步 氣 ¾展重 s C 種 1發t S 之 ， 要y)射 重og噴 而01體 新 h 氣 最 ω 之 內 t 射 圍 j 雷 範 η 似 之ere類 學oh種 力(C01 動術生 體技產 氣程可 在工術 射技 離 距向 長方 一 徑 進直 行射 則 Η 射 噴 聚 仍 上_ 質少 實艮 在S 而曾 持 保 全 完 雷 其 在 並 速 初 其 供 是內 用屬 應金 業化 商熔 的進 要引 重體 即 較深 一 更 隔法 相方 面施 液實 巨 £ 勺 白 大 將是離 液 進 弓 凝體 。 氣 MMP 氣 而 因 極 Omtl 種1 之 術 技 程 氣 夕寸之^ 1 諸液 ，與 用 δ 厶目 之可 內 體 矛 噴 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 統 傳 在 而 比 疆 隱 液氣 透的 穿多 體較 聚中 凝施 於實 由的 則 較 內比 體作 液操 入之 進體 能氣 不使 而可 轉離 偏距 被大 上較。 面之作 液間操 之面的 噴 隱 氣 以 所 傳在矛 勺 0M SHn 統液 液 與 效 有 更 及 以 全 安 亦 時 有 射 噴使 1望 MW. 氣希 聚則 凝時 有有 具中 匕匕 厶目P 月fcmK. 0Μ 希在 I-----丨丨丨訂------—. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 到 達 供 以 內 屬 金 解 熔 入 注 如體 例氣 。 將 中者射 作兩噴 操衬i rTJ 6¾ ΤφΠΖ 的噴氣 業體聚 工氣凝 一 流種 在擾一 及用 的燒 目燃 之到 拌達 攪供 而 及 以行 射之 噴射 體噴 氣體 流氣 擾流 支擾 多各 或若 支。 一 的 用目 使之 亦碳 時脫 同或 氣 流 擾 支I 中 其 則 另時用 被同使 能能要 可望需 射希貞 噴iff^ 體技操 程業Η Η 有之 現者 據兩 根射 。 噴 壞體 近破氣 靠所淀 或射擾 接噴及 近體聚 相氣凝 互支用 進一使 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 486558 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2) 同二個昂貴的分離式氣體輸送系統。 本發明之目的是在提供一種系統，該系統能夠有效地 供應凝聚氣體噴射及擾流氣體噴射兩者並互相近接地 進入一注射容積內。 發明簡述 本發明之上述及其他目的將由本發明達成並對本發 明之揭示於詳細說明之後將對精於此種技術之專家而 言完全瞭解，本發明之一特色爲： 用於提供近接擾流及凝聚氣體噴射至一注射容積內 之方法包含： (A) 使一氣體噴射通過並進入一形成容積內，使一燃 料之流量通過並進入在氣體噴射周圍之環狀形成容積 內，並使一*氧化劑之流星通過並進入在氣體噴射周圍之 環狀形成容積內； (B) 使氧化劑與燃料燃燒並在氣體噴射周圍形成一火 焰包絡面（Flame envelope); (C) 使從形成容積內噴出之氣體噴射及火焰包絡面通 過並進入注射容間，該氣體噴射爲一凝聚氣體噴射；及 (D) 至少使一擾流氣體噴射通過並進入近接的凝聚氣 體噴射之注入容間內，其中火焰包絡面是在凝聚氣體噴 射（coherent gas jet)及擾流氣體噴射（Turbulent gas jet) 之間。 本發明之另一特色爲： 提供近接擾流及凝聚氣體噴射住一注射容積內之裝 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ' -----------裝-------"—訂---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7

五、發明說明（3 ) 置包括： (A) 一氣體噴射供應裝置包含具有與一形成容積連通 的一 出之一凝聚氣體噴嘴，該形成容積則與注射容積 連通； (B) 用於供應燃料至在凝聚氣體噴嘴周圍環狀形成容 積內之裝置； (C) 用於供應氧化劑至在凝聚氣體噴嘴周圍環狀形成 容積內之裝置；及 (D) 近接凝聚氣體噴射供應裝置之一擾流氣體噴射供 應裝置，該擾流氣體噴射供應裝置包括具有一與注射容 積直接地連通的一輸出之擾流氣體噴嘴。 如在本發明書中所使用者，”凝聚噴射（c 〇 h e r e n t j e t) 一詞之意義爲從一噴嘴中所噴出氣體所形成之一氣體 噴射，且該氣體噴射則沿其長度而具有一速度及動量輪 廓（Momentum pro file)與其從噴嘴噴出之速度及動量輪 廓相似。 如在本發明中所使用者，”環狀”（Annular) —詞之意義 是指一環之形狀。 如在本發明中所使用者，”火焰包絡面，，（F 1 a m e e n v e 1 o p e) —詞之意義是指一環狀燃燒氣流在實質上至 少與一氣流同軸。 如在本說明書中所使用者，”長度”（Length)—詞之意 義，若涉及一凝聚氣體噴射，是指從噴嘴氣體被噴出至 凝聚氣體噴射的設計衝擊點之距離或氣體噴射停止被 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格do x 297公釐） ------------裝-------一--訂---------1 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 486558

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 滅聚之距離。 如在本說明書中所使用者，，，擾流噴射，,（Turbulent jeO—詞之意義是指從一噴嘴中噴出氣體所形成之一氣 體噴射沿其長度具有一速度及動量輪廓已開始改變從 噴嘴中噴出氣體之速度及動量輪廓。 第1圖爲根據本發明的一矛梢型之一特別較佳實施 例橫剖面圖。 第2圖爲在第1圖中所示裝置之頭部。 第3圖爲橫剖面圖以說明在操作中本發明之方法。 在各圖中所有相同的一般元件均以相同的符號標 7]\ ° EL細說明 本發明係關於一種能同時地提供互相近接凝聚氣體 噴射及擾流氣體噴射之系統而不至於危及兩種氣體噴 射型式中之任一種型式或因而可達到其優點。最可取 者則是能使，用相同的噴矛而供應兩種不同的氣體噴 射。 參照各附圖，將詳細說明本發明之較佳實施例。 從一*氣體源（在圖中未不）噴出之氣體1通過)规聚氣 體噴射供應裝置2，該裝置包含凝聚氣體通路3及凝聚 氣體噴嘴4，如在第1圖中所示，該噴嘴以選取一種細腰 噴嘴（Lonverging /diverging nozzle)爲宜。氣體 1 可能 爲任何有用之氣體以供形成一凝聚氣體噴射之用。在 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 衣--------訂----------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 486558 A7 B7__ 五、發明說明（5) 這些氣體中，可選擇氧氣，氮氣，氬氣，二氧化碳，氫氣，氦 氣，蒸汽，碳化氫氣體（Hydrocarbon gas)，以及包括各氣 體中之一種或多種氣體之混合氣。凝聚氣體噴嘴4與 形成容積5連通，而氣體1則以一氣體噴射3 G通過並 進入形成容積5。 從一燃料源（圖中未示）噴出之燃料6則通過通道7, 該通道則在凝聚氣體通道3及凝聚氣體噴嘴4周圍形 成環狀並與該通道及噴嘴同軸。燃料可能爲任何有用 的氣體燃料，諸如甲烷（M e t h a n e ),丙院（P r 〇 p a n e )或天然 氣即是。 燃料通道7是與形成容積5連通，而燃料之流量則從 燃料通道7流進與氣體噴射3 0形成環狀之形成容積5 內。 從一氧化劑源（圖中未示）流出之氧化劑8則通過與 凝聚氣體通道3形成環狀並與燃料通道7共軸之通道 3。氧化劑8可能爲空氣，具有氧氣濃度超過空氣的氧 氣濃度之濃縮氧空氣，或至少具有99克分子百分率 (mole percent)的氧氣濃度之商業氧氣。氧化齊fj 8最好 能採用至少具有2 5克分子百分率的氧氣濃度之一種液 體。氧氣通道9則與形成容積5連通，而氧化劑8之流 量則從氧氣通道9內通過並進入對燃料之流量形成環 狀之形成容積5內。 燃燒燃料之流量及氧化劑之流量以形成對氣體噴射 3 0爲環狀而與該氣體噴射同軸之一火焰包絡面3 1。火 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝·------—訂---.—----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 486558 A7 B7 修正 丨補奈 五、發明說明（ 焰包絡面3 1之速度最好小於氣體噴射3 0之速度。 般而言，火焰包絡面之速度以在3 0 0至1 5 0 〇听/孙 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 煩Μ娶員明示，本案修正後是否^^ ^ ( f P s ) C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 之範圍內爲宜。在第1圖中所示本發明之一霣施例$ 一較佳實施例並具有一偏轉器10,其作用是指引^ — 曰氧化劑 之流量至燃料之流量方向，因而5造成一種更有效的火 焰包絡面。形成容積5與注射容積1 1連通，氣體噴躬 3 〇及火焰包絡面3 1則從形成容積5流出並進入注躬 容積1 1內。例如，注射容積1 1可能爲一主要氧氣赠或 其他溶化爐，諸如一溶熔化爐（B a t h m e 11 i n g f u r n a c e )之 頂部空間，一不銹鋼煉鋼轉化器，或一高碳錳鐵精煉 爐。 由於火焰包絡面3 1最好與內向的氧化劑流量相結合 故氣體噴射3 0 _ —種凝聚氣體噴射並在其長度內保持 一種凝聚氣體噴射。凝聚氣體噴射3 0以具有一超音、波 的速度爲且，一般而固，凝聚氣體噴射之速度是在1 Q Q Q 至2 0 00呎/秒（fps)之範圍內。 與凝聚氣體噴射供應裝置2近接的至少爲一擾流氣 體噴射供應裝置1 2 5該裝置包括一擾流氣體通道1 3及 直接與注射容積1 1連通之一擾流氣體噴嘴1 4。在圖 中所示之實施例中，則在位於中央之凝聚氣體噴射供應 裝置周圍之一圓形配置內顯示具有四個此種擾流氣體 供應裝置。按照近接之意義是指在擾流氣體噴嘴1 4及 形成容積5之間沿噴矛面1 5之最近距離，如在第2圖 中”L”所示，其並不超過2吋，一般而言，是在〇.25至2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 486558 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 吋之範’圍內。較可取者，如在圖中所示，擾流氣p F (各噴嘴）均爲細腰噴嘴（L ο n v e r g i n g / b i v e r g i η σ nozzle) ° 從一氣體源（圖中未示）流出之氣體3 3則通％ & ^〗致流氣 體供應裝置1 3及擾流氣體噴嘴（各噴嘴）；! 4。 取 IS 3 3 可能爲任何有用之氣體以供形成一擾流氣體_躬· $

用。在這些氣體中可能爲氧氣，氮氣，氬氣，二备I 〜私1fe 5氫 氣，氦氣蒸汽，碳化氫氣體（烴氣：h y d 1· 〇 c a r b 〇 n D。、π gas)，及以 上各氣體中包含一種或多種氣體之混合氣。 氣體從擾流氣體噴嘴（各噴嘴）1 4中流出| h 叫I以一條或 多條擾流氣體噴射3 2直接地進入注射空間丨} @ ^ ^ 本發明中所使用的一種特別較佳氣體則爲〜種a ^ ^ . 彳蛋曰氧氣 體，諸如空氣，氧氣加濃之空氣或商用氧氣，以供^ _ 流氣體噴射之用，含氧之氣體亦可能用以實行_彳重^ _ 反應（C 〇 m b u s t i ο η ι· e a c t i ο η )。 此種噴射之擾流有助於 完成此種燃燒反應之更有效率的燃燒。 雖然凝聚噴射30及擾流噴射（各擾流噴射）之近接^ 但是，並未使凝聚噴射之連貫性中斷。 此種穩定性係由於在形成容積內凝聚噴射之最彳刃开多 成及在凝聚噴射及擾流噴射（各擾流噴射）間之空間內 有火焰包絡面之出現。 本發明之各種測試均使用與圖中所示相類似的一實 施例執行。 從四個擾流氣體噴嘴中，按比例縮小及模仿基本氧氣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]0 χ 297公釐） --------------壯衣---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 1111 ----------------------- 486558 A7 B7 五、發明說明（） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁} 爐噴矛並互相相差1 2度之噴嘴可產生四條擾流超音波 氧氣噴射。各噴嘴則在一圓形周圍均勻地隔間1 . 7 3吋 直徑（在噴嘴出口上之中心線）。每一噴嘴均爲細腰噴 嘴並具有0.327吋之喉部直徑（Throat diameter)及 0.4 2 6吋之出口直徑（E X i t d i a m e t e r )。在測試中，氧氣通 過每一噴嘴之流量率（Flow rate)則在標準溫度及壓力 (NTP:Normal Temperature and Pressure)下爲 1 0,0 0 0 立 方卩尺/小時（CFH:Cubic Feet per Hour)並具有100膀/吋2 表壓（Psig:Pounds per Square Inch Gage)之供應壓力上 游。在出口上之噴射速度約爲1 6 0 0吋/秒（F P S : F e e t per Second)(Mach 2,馬赫 2)。 氫氣（Nitrogen)則被用作凝聚噴射之氣體。在噴矛軸 線上所放置之噴嘴爲具有〇 · 2 0吋的喉部直徑及0.2 6 吋之出口直徑之細腰。氮氣通過噴嘴之流量率則在標 準溫度及壓力下爲4,000立方呎/小時（CF Η )並具有100 磅/吋2表壓（Psig)之噴嘴供應壓力上游。在噴嘴出口 之噴嘴速度大約爲1 7 0 0吋/秒（fps)(馬赫2)。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 所提供的火焰包絡面具有天然氣之一內環狀通路 (inner annulus:外徑0.555吋，內徑0.375吋）及環孔氧 氣之外環狀通路（Outer annulus:外徑0.710吋，內徑 0.625吋）。使第二氧氣朝向主要氫氣噴射而轉向之偏 轉器（Deflector)可提供更有效的火焰包絡面。天然氣 及第二氧氣之流量率分別爲5 0 0立方呎/小時（C H F )。 皮托管（Pilot tube,流速測定管）之讀數可從噴嘴數吋 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 486558 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9) 之噴射軸線8上讀出。若僅有氮氣流量（在各擾流噴嘴 內並無天然氣，環狀氧氣或氧氣），則皮托管讀數爲2磅/ 吋2表壓（p si g)。當天然氣及環狀氧氣被接通以提供一 火焰包絡面，則所產生的凝聚氮氣噴嘴則具有3 2磅/ 吋2表壓之皮托管讀數並相當於1 3 9 0呎/秒（FPS)之氣 體速度（Mchl .4,馬赫1 .4)。當氧氣之四個外擾流噴射 (10, 〇〇〇立方呎/小時/噴射）均接通，則氮氣噴射之皮托 管讀數在實質上仍保持相同讀數。凝聚氮氣噴射並不 受進入四個外擾流氧氣噴射之高拖曳速率（Trainment r a t e )之影響。 這些結果顯示，產生近接一條或多條擾流噴射之凝聚 噴射之關鍵在於凝聚噴射及擾流噴射之間存在本發明 之限定火焰包絡面。在本說明書內所揭示之試驗性實 施例中。則使一單獨的凝聚氮氣噴射維持四條擾流氧 氣噴射形成一環。有關兩條或多條凝聚噴射被一火焰 包絡面包圍並與使用其他氣體的凝聚噴射之組合，諸如 氧氣，氬氣，二氧化碳或天然氣均可產生類似的結果。 雖然本發明已參照一特定的較佳實施例詳述如上，但 是，對於熟悉此種技術之專家而言，亦會承認在申請專 利之精神及範圍內本發明亦會出現其他的實施例。例 如，爲了能形成火焰包絡面之目的，所提供之氧化劑可 能使用內環狀製置，而燃料可能使用外環狀裝置，或者， 對每一種燃料或氧化劑均可使用一具以上之供應裝 置。 -11- ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) " --------1 --------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 486558 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（,

明 說 號 符 裝 應 供 射路嘴 噴通噴 體體體積 氣氣氣容 體聚聚聚成 氣凝凝凝形 燃燃氧通 路 通劑 料料化 路 偏注擾擾擾氣擾擾 積 器容 轉射 應 供 射路嘴 路射 噴通噴 通噴 骨 ^02 骨 身 骨 骨 氣氣氣噴氣氣 流流流體流流 體 氣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） •------------* 裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ->& · 丨線-

Claims (1)

1. 486558 pc 煩 請 委 員 明 本 案 修 正 後 是 否 變 更 原 實 質 内 容 六、申讀^卜利範圍 第90 1 020 1 7「用於提供近接擾流及凝聚氣體噴射之系統 專利案 (9 1年1月修正） 六申請專利範圍： 1 · 一種提供近接擾流及凝聚氣體噴射進入一注射容積之 方法，包括： (A )使一氣體噴射進入一形成容積，使一燃料流進 入在氣體噴射周圍之環狀形成容積內，及使一氧化劑 流進入在氣體噴射周圍之環狀形成容積內； (B) 使氧化劑與燃料燃燒以在氣體噴射周圍形成一 火焰包絡面； (C) 使氣體噴射及火焰包絡面從形成容積進入注射 空間，該氣體噴射爲一凝聚氣體噴射，沿著長度方向實 質設有增加噴射直徑；及 (D) 使至少一擾流氣體噴射進入近接的凝聚氣體噴 射之注射容積內，其中火焰包絡面是在凝聚氣體噴射 及擾流氣體噴射之間。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中燃料之流是在氧 化劑流周圍形成環狀。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中氧化劑流是在燃 料流周圍形成環狀。 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中凝聚氣體噴射包 含氮氣，氧氣，氬氣，二氧化碳或天然氣中一種或多 486558 種氣體。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中擾流氣體（各氣體 )包括氧氣。 6 .—種提供近接擾流及凝聚氣體噴射進入注射容積內之 裝置，其包括： (A) —凝聚氣體噴射供應裝置，該裝置包括具有一輸 出並與一形成容積連通之一凝聚氣體噴嘴，該形成容 積則與注射容積連通，藉此一氣體噴射自噴嘴流入形 成容積及自形成容積流入注射容積； (B) 提供燃料至形成容積之裝置，該形成容積則在 凝聚氣體周圍形成環狀； (C )提供氧化劑至形成容積之裝置，該形成容積則在 凝聚氣體噴嘴周圍形成環狀，以便燃燃及氧化劑燃燒 以形成一火焰包絡面與氣體噴射成環形且氣體噴射沿 著長度方向實質設有增加噴射直徑； (D ) —擾流氣體噴射供應裝置，近接凝聚氣體供應裝 置，該擾流氣體供應裝置包括一擾流氣體噴嘴並具有 直接與注射容積連通之一輸出。 7 .如申請專利範圍第6項之裝置，其中凝聚氣體噴嘴爲 一細腰噴嘴（converging/ diverging nozzle)。 8 .如申請專利範圍第6項之裝置，其中從凝聚氣體噴嘴 之周邊至擾流氣體噴嘴之周邊間的距離是在0.25吋 至2吋之範圍內。 486558 9 .如申請專利範圍第6項之裝置，其中包括有許多擾流 氣體噴嘴。 1 0 .如申請專利範圍第6項之裝置，其中亦包括將氧化劑 導向在形成容積內的燃料之裝置。