IT7354440A1 - Ugello supersonico a onda d'urto - Google Patents

Description

[0001] 1000495 AN/IC.AFBI.475 5 4440A/7 @g.Barzan zanardo DESC RIZ IONE dell*invenzione industriale dal titolo: FUGELLO SUPERSONICO A ONDA D*URTO aella SoCieta: INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDE- RURGIE FRANCAISE,di nazionalitA francese, residente a Saint-Germain-En-Laye,(FRANCIA), che cita come inventori: 1) Daniel BORGNAT, 2) Guy FORESTIER, 3) Georges RUPP 2 0 DIC.1973 depositata il La presente invenzione riguarda un ugello a onda d urto del tipo utilizzato nei forni a tino per effettuare la miscelazione di un combustibile e di un comburente e la combustione di tale miscela.

[0002] E: stato proposto di sostituire una parte del combustibile solido utilizzato nei forni a tino, in particolare gli alti forni, con un combustibile au- siliario idrocarbonato, per esempio sotto forma li- guida, questo combustibile essendo iniettato in ugel- li di soffiatura che sboccano nel forno a tino.

[0003] Il costo del combustibile solido, generalmente il coke, essendo relativanente elevato, l*influenza dell inie- zione .di un combustibile ausiliario sul prezzo di .

[0004] costo del prodotto elaborato nel forno a tino dipen- .

[0005] de dal tasso di iniezione di combustibile ausiliario.

[0006] Iig.Barzano zanardo : 2 si cercato ai conseguanza di raggiungere tassi di iniezione piu elevati possibile, pur rimanendo compatibili con un funzionamento soddisfacente del forno a tino, in particolare dal punto di vista di scorrimento delle cariche trattate in detto for- no.

[0007] Tuttavia, l esperienza dimostra che il combusti- bile ausiliario iniettato brucia in misura sempre piu completa man mano che si aumenta il tasso di i- niezione, la combustione incompleta provocando la formazione di fuligine di carbonio.

[0008] Questo fenomeno impone di mantenere il tasso di iniezione di combu- stibile ausiliario a dei valori relativamente poco elevati.

[0009] si pu aumentare in misura notevole il tasso di iniezione di un combustibile aumentando il grado di dispersione di tale combustibile nel comburente gas- soso, ci chc permette di migliorare le condizioni della combustione.

[0010] Una tecnica m.ssa a punto dalla gello del tipo ugello di Laval per l*introduzione di un conburente in un forno a tino un flusso su personico in condizioni tali che il passaggio dal regime di flusso supersonico al regine di flusso subsonico avvenga nel divergente dell*ugello, ossia l*onda d*urto si forai nel divergente, e nell'iniet- Ing.Barzano zanardo tare un combustibil@ in detto ugello a monte di questa onda d*urto.

[0011] Le prove realizzate con ugelli di questo tipo hanno dimostrato l*efficacia dell'ef- fetto di dispersione del combustibile nel comburen- te al passaggio nella zona dell onda d'urto, questa tecnica permettendo di conseguenza di utilizzare dei tassi elevati di iniezione di combustibile sen- za formazione di fuligine di carbonio.

[0012] Per una determinata pressione del comburente al- l entrata di un ugello del tipo precitato, e noto calcolare le caratteristiche geometriche dell ugel- lo per ottenere la formazione di un'onda d urto nel divergente.

[0013] Esiste una.

[0014] zona di variazione di questa pressione in cui si mantiene 1'onda d*urto nel di- vergente ed a valle della zona di iniezione di com- bustibile.

[0015] Una caduta di prcssione troppo importante pud provocare il mancato rispetto di queste condi- zioni, ed un eventuale aumento di pressione troppo importante pu provocare la generazione di una velo- cita di flusso supersonico all*uscita del divergente dell*ugello.

[0016] L*estensione di questa zona di varia- zione di pressione dipende dal valore della pressio- ne all*entrata dell*ugello ma e relativanente limita- ta per i valoxi previsti nel conteato dell introdu- zione di un comburente in forno a tino, per esempio Ing.uarzan zanarao il vento caldo in un alto forno.

[0017] Cid non costituisce un inconveniante grave, dato che gli alti forni sono sempre piu generalmente progettati per funzio- nare a circa una pressione di.riferimento relativa- mente costante,corrispondente alla portata di vento per la produzione massima prevista.

[0018] E* dungue possibile progettare ugelli in modo da permettere il tasso di.

[0019] iniezione massimo di com- bustibile ausiliario corrispondente ad una geome- tria di ugello adattata alla pressione di riferimen- to.

[0020] Tuttavia, pu manifestarsi necessario dover fa- re funzionare il forno a tino con un andamento di marcia differente da guello corrispondente alla produzione massima.

[0021] Per conservare i vantaggi del- l iniezione di combustibile ausiliario durante i periodi corrispondenti, si deve o sostituire l as- sieme degli ugelli di iniezione con una serie di u- gelli i geometria adattata al nuovo andamento di marcia, ci che costituisce un*operazione estreaa- mente laboriosa che si deve praticamente escludere, o progettare degli ugelli #universali" a geometria variabile, di realizzazione relativamente complessa ed il cui affidamento pud rivelarsi contestabile.

[0022] L*invenzione ha per scopo di ovviare agli in- Ing.Barzand Zanardo convenienti sopra citati e piu particolarmente per- mettere di adattare la geomatria di,un,ugello per l*iniezione di un com ustibile ausiliario in un forno a tino in funzione alle variazioni di anda mento di marcia di detto forno, allo scopo di pen- mettere di mantenere un tasso di iniezione di com- bustibile ausiliario massimo indipendentemente dal- le variazioni di andamento di marcia.

[0023] A talc scopo l*invenzione ha per oggetto un u- gello supersonico a onda d*urto per l iniezione di una miscela comburente combustibile in un forno a tino, comprendente un convergente ed un divergente nella zona di raccordo dei quali viene costituito un collo sonico, caratterizzato da cio che detto ugello costituito da un primo organo intercambia- bile comprendente il convergente, il collo sonico ed una prima parte del .divergente, ed un secondo organo essenzialmente fisso costituito da una se- conda parte del divergente.

[0024] i due organi cooperando tra loro in modo che la prima e la seconda parte del divergente siano disposte in modo giuntivo nel prolunganento l*una dell*altra, grazie a che la se- zione del collo sonico pud essere modificata in funzione di una variazione del regime ai comburente dell ugello mediante sostituzione di detto primo Ing.Barzand zanardo org no.

[0025] Secondo una caratteristica vantaggiosa, det'o primo organo e munito di mezzi di iniezione di un combustibiie nell'ugello, detto ugello essendo col- legato ad una sorgente di comburente gassoso.

[0026] Secondo un'altra caratteristica, la sorgante di comburente e costituita dal collettore circolar@ del vento caldo di un alto forno.

[0027] Secondo un*altra caratteristica, il divergente ed il convergente essendo costituiti da superfici di rivoluzione di uguale asse, il collo sonico @ co: stituito dalla sezione secondo un piano perpendico- lare a detto asse di una superficie di rivoluzione conica tangente al convergente in corrispondenza al- la circonferenza di raccordo della prima parte del divergente con Ea seconda parte del divergente.

[0028] L*ugello secondo l invenzione permette grazie alla sua costituzione in due organi indipendenti di procedere ad una modifica delle sue caratteristi- che geometriche allo scopo di adattare dette caratte- ristiche ad una modifica della portata di comburente di alimentazione dell*ugello, in modo da mantenere nell ugello determinate condizioni di flusso.

[0029] si comprande infatti che una modifica dell'an- damento di marcia di un forno a tino munito di u- Ind.Baz ano zanardc gelli a onda d'urto per l'iniezione di un combusti- bile in una corrente di comburente gassoso portato a velocita supersonica, modifica che si traduce in una variazione della portata e della prcssione del comburente ali*entrta dell ugello, provoca una modi- fica delle caratteristiche di flusso del comburente in detto ugello.

[0030] Allo scopo di mantenere nel diver- gente dell*ugello un'onda d'urto indispensabile alla dispersione soddisfacente del combustibile,si modifica correlativanente la sezione del collo so- nico sostituendo l*organo intercambiabile, che co- stituisce una specie di testata dell'ugello, con un organo simile ed adattato alle nuove condizioni re- gnanti all entrata dell ugello, detto organo presen- tando un collo sonico di sezione differente,deter- minata in funzione alle nuove condizioni di pressio- ne e di portata.

[0031] Questa operazione pu essere effet- tuata molto rapidamente senza smontaggio della par- te di ugello resa solidale col forno a tino, ed ap- poggia su una parte facilmente accessibile di que- sto ugelio.

[0032] L*invenzione sara tuttavia meglio compresa dal- la descrizione che segue data a titolo di esempio in relazione alla Figura unica dell*unito disegno che rappresenta una vista in sezione longitudinale di Ing.Barzano Zanardo 8 una forma di esecuzione di un ugello secondo l*in- venzione per l apporto di un combustibil@ ausilia- rio in un alto forno.

[0033] Nella Figura stato rappresentato un ugello di alto forno del tipo a onda d*urto, questo ugello essendo disposto nel prolungamento di un condotto 2 raccordato sul condotto di arrivo del vento di un alto forno.Il profilo interno di questo ugello quello di un corpo di rivoluzione e conprende un con- vergente 3 ed un divergente 4 nella zona di raccordo dei quali vi e costituita una strozzatura 5 denomi- nata qul di seguito collo sonico.

[0034] L*ugello @ fissa- to ad un supporto o timpano 6 solidale con la parete dell*alto forno: e sbocca all interno di questo in prossimita della parte superiore dell*opera.

[0035] Secondo l invenzione, l ugello e costituito dall associazione di due pezzi complenentari assen- blati tra loro in modo da costituire il profilo in- terno dell*ugello, ossia un primo pezzo 7 , essen- zialmente amovibilc, formante testata dell ugello e comprendente il convergente 3, il collo sonico 5 ed una prina parte 4a del divergente, ed un secondo pezzo 8, essenzialmante fisso, formante l*apice del- 1*ugello e comprendente una seconda parte 4b del di- vergente che sbocca direttamente all interno dell'al.

[0036] Ing.Bareand zanardo 9 to forno, datto secondo pezzo @ssando solidala col supporto 6.

[0037] L apice dell*ugello costituito da un corpo cavo di rame 9 assemblato mediante brasatura ad una flangia 7O presentante una portata esterna conica ll cooperante con una portata interna corri- spondente praticata nel supporto 6.

[0038] Un involucrc interno 12 @ disposto nel corpo 9, questo involucro comunicando con un condotto 73 che attrav@rsa la flangia con una sorgente di liquido di raffreddamen- to, e conunicando inoltre con l interno del corpo 9 a mezzo di aperture 14 disposte all*estremita di detto involucro, l evacuazione del liquido di raf- fraddamento effettuandosi attraverso orifici non rap- presentati in Figura praticati nella flangia.

[0039] La testata 7 presenta una portata esterna di centraggio 15 ed una faccia d*appoggio 76 cooperanti rispetti- vamente con una portata interna 17 della flangia e la faccia esterna di questa in modo che la testata e l'apice dell*ugello possano essere disposti in modo giuntivo, la parte convergente 4b dell apice essendo disposta a guisa di prolungamento della par- te convergente 4a della testata.

[0040] La testata e l api- ce dell*ugello possono essere resi solidali a mezzo di viti 78 disposte a 120o .

[0041] Una gola anulare 19 0 praticata sulla superficie d'appoggio 16 della testa- Ing.Barzand Zanardo 10 ta in modo da costituire una camera comunicanta con l*esterxo dell*ugello a mezzo di condotti 20 di arrivo di un combustibile ausiliario e comuni- cante con l*interno dell*ugello in prossimita del collo sonico a mezzo di condotti di iniezione 27 diretti verso i asse di questo.

[0042] Una guarnizione di tenuta 22 disposta in una gola 23 praticata sulla faccia esterna della flangia, questa guarni- zion@ trovandosi compressa al montaggio della te- stata sulla flangia da un risalto anulare 24.

[0043] Il condotto 2 si trova applicato contro una spalla 25 della testata a mezzo di un dispositivo di serrag- gio 2s che consente uno smontaggio rapido dal con- dotto 2.

[0044] Per quanto concerne il modo di funzionamento degli ugelli del tipo a onda d*urto, si fa presei- te brevemente che il profilo interno dell*ugello, ed in particolare dell'area del coiio sonico, @ progettato per valori prestabiliti della pression@ di alimentazione.

[0045] detta pure pressione generatrice e della pressione di eiezione in modo che il con burente che penetra nell ugelio, in qucsto caso il vento caldo, raggiunga il canpo delle velocita supersoniche al collo dell*ugello, e che il passag- gio al campo delle velocita subsoniche avvenga nel Ing Bar and $ Zanaxdo 14 aivergente con formagione correlativa di un'onda d'urto in questo divergente.

[0046] Un combustibile ausi- liario quale un liauido idrocarbonato e introdotto sotto pressione nella camera 19 e si trova inietta- to nell*ugello attraverso gli orifici 21.

[0047] Il combu- stibile ausitiario trascinato dalla corrente di com- burente si mescola intimanente a questo al passag- gio della zona di formazione dell*onda d*urto, la miscela infiamnandosi spontaneamente a valle di questa zona sotto l effetto della temperatura am- biente provocando una combustione senza formazione di fuligine di carbonio anche con tassi di iniezio- ne relativamente elevati di combustibile ausiliario rispetto ai tassi praticati nella tecnica conside- rata di iniezione di combustibile ausiliario negli alti forni.

[0048] Il profilo dell ugello determinato in modo che le fluttuazioni di pr@ssione che possono raggiungere il 2o% della pressione di alimentazione corrispondente alta marcia desiderata non provochi- no disturbi al funzionanento nornale dell ugello.

[0049] Quando si manifesta vantaggioso stabilire un andanento di marcia differente dell'alto forno, per esenpio quando la produzione di ghisa deve essere modificata, la portata di vento pu variare in modo tale che il profilo dell*ugello non permette piy Tng.Baxaano s Zanardo 12 l innesco di un flusso supersonico nell ugello.

[0050] Il tasso di inieaionc di combustibile ausiliario che e allora possibile prevedere senza formazione di fuligine di carbonio puo allora essere ridotto a piu di meta, ci che porta ad elaborare una ghisa di prezzo di costo unitario piu @levato.

[0051] L*ugello secondo l invenzione permette di procedere ad un adattamento rapido della geometria dell*ugello al- le nuove condizioni di funzionamento.

[0052] E' noto in ef- fetti che la portata di massa di un ugello superso- nico e proporzionale alla pressione regnante all en- trata dell'ugello e all*area del collo sonico.

[0053] Il profilo dell'ugello e determinato da leggi Den note dagli esperti del ramo per determinati valori della portata e della pressione affinche si stabilisca nell*ugello un flusso supersonico col passaggio dal campo delle velocita subsoniche nel divergente.

[0054] Le caratteristiche di flusso nell ugello possono esse- re conservate quando la portata si stabilisce ad un valore differente dal valore precedentc a condi- 0XOTEA OSSSIS OT DHUOWTTqTSUOS 0TEAXOSUOD TD DUOTZ della pressione regnante all entrata dell ugello, risultato che puo essere ottenuto modificando il valore deli'area del collo sonico.

[0055] Si pvocede a tale scopo a3lo snontaggio del condotto 2.

[0056] l'alimen- Ing.Baxzand zanardc 13m tazione di vento corrispondante all ugello conside- rato essendo stata momcntaneamante interrotta, in seguito allo smontaggio della testata dell*ug@llo 7 ed alla sua sostituzione con una testata 7*conforr mata in modo tale che l area del collo sonico 5* sia differante dall*area del collo sonico 5 della testata 7, il rapporto delle aree essendo essenzial- mente proporzionale al rapporto delle portate per una data tenperatura del vento.

[0057] Esiste una caratte.

[0058] ristica comune alle differenri testate di ugello consistente in cio che il collo sonico di dette te state e costituito dalla sezione secondo un piano perpendicolarc all*asse dell ugello di una superfi- cie di rivoluzione conica tangente al divergente in corrispondenza alla circonferenza di raccordo del.- la prima parte 4a del divergente con la seconda par- te 4b del divergente.

[0059] Questa superficie di rivolu- zione e rappresentata a linee tratteggiate ed indica ta col riferimento s nella Figura.

[0060] E* naturalmente inteso cae per superficie conica s*intende tanto le superfici a generatrice rettilinea che curvilinea.

[0061] qu@st*ultimo caso corrispondendo agli ugelli il cui divergente presenta la forma detta a tromba.

[0062] Il di.

[0063] vergente puo pure assunere giesta forna solo nella sua seconda parte 4D Deve essere comproso che la Tng.BarzanO ZanaxdQ 14 parte divergente 4a della testata dell ugello pud essere al maesimo ridotta finche l*area del collo sonico corrisponda all'area delinitata dalla circon- ferenza di raccordo della testata con l apice del- 1*ugello.

[0064] L*ugello secondo l'invenzione costituisce un generatore di gas ed in particolare di miscele gas- sose riduttrici che pu trovare appiicazione in qualsiasi inpianto che richiede i introduzione di tali miscele gassose.

[0065] L ugello trova applicazione in particolare nei forni a tino allo scopo di rea- lizzare l*apporto di un combustibile e la combustio- ne di questc in condizioni ottimali pur permetten- do di mantenere queste condizioni par differenti valori dlla portata di comburente che alimenta l*u- gello.

[0066] Il combustibile utilizzato pu essere un prodotto idrocrrbonato gassoso o liguido e puo.com- portare delle particelle di combustibile solido in sospensione in uo qualsiasi di questi mezzi, come pure veicolare qualsiasi prodotto che si desidera introdurre nel forno a tino in una forma compatibi- le col funzionamento del dispositivo di iniezione.

[0067] La conformazione del3*ugello in due parti di cui una comporta il dispositivo di iniezione del combu- stibile permette inoltre di selezionare le caratte- Ing.Barzaxd Zaxardo :15 ristiche di questo dispositivo di iniezione in Funzione alla natura del combustibiie iniettato.

[0068] L invezione trova applicazione in particolare per l iniezione di un combustibile ausiliario quale nafta a mezzo degli ugelii di un alto forno allo scopo di sostituire ua parte del coke utiiizzato con questo combustibile ausiliario.

[0069] RIVEMDICAZIONI l) Ugello supersonico a onda d'urto per l'inie zione di una miscela comburente-combustibile in un forno a tino, comprendente un convergente ed un di-- vergente aella zona di raccordo dei quali viene co- stituito un collo sonico, caratterizzato da ci che detto ugello @ costituito da un primo organo inter- cambiabile comprendente il convergente, il collo sonico ed ura prima parte del divergente, ed un se- condo organo fisso costituito da una seconda parte del divergente, i due organi cooperando tra loro in modo che la prima e la seconda parte del divergente siano disposte in modo giuntivo nel prolunganento l'una dell*altra, grazie a che la sezione del col- lo sonico puo essere modificata in funzione ad una variazione de3 regime di alimentazione di comburente deli ugello madiante sostituzione di detto primo organo.

[0070] .

Claims (1)

1. Ing.Barzaxd Zaxardo :15 ristiche di questo dispositivo di iniezione in Funzione alla natura del combustibiie iniettato.

L invezione trova applicazione in particolare per l iniezione di un combustibile ausiliario quale nafta a mezzo degli ugelii di un alto forno allo scopo di sostituire ua parte del coke utiiizzato con questo combustibile ausiliario.

RIVEMDICAZIONI l) Ugello supersonico a onda d'urto per l'inie zione di una miscela comburente-combustibile in un forno a tino, comprendente un convergente ed un di-- vergente aella zona di raccordo dei quali viene co- stituito un collo sonico, caratterizzato da ci che detto ugello @ costituito da un primo organo inter- cambiabile comprendente il convergente, il collo sonico ed ura prima parte del divergente, ed un se- condo organo fisso costituito da una seconda parte del divergente, i due organi cooperando tra loro in modo che la prima e la seconda parte del divergente siano disposte in modo giuntivo nel prolunganento l'una dell*altra, grazie a che la sezione del col- lo sonico puo essere modificata in funzione ad una variazione de3 regime di alimentazione di comburente deli ugello madiante sostituzione di detto primo organo.

76 a) Ugallo supersonico secondo la rivandicazio- ne 1 caratterizzato da cid che detto primo organo @ munito di mezzi di iniezione di un combustibile nell ugello, detto ugelio essendo collegato ad una sorgente di comburente gassoso.

3) Ugello secondo la rivendicazione 2 caratte- rizzato da cid che la sorgente di comburente e co- stituita dal collettore circolare di alimentazione del vento caldo di un alto forno.

4) Ugello secondo le rivendicazioni 1 e 2 ca ratterizzato da ci che il divergente ed il conver- gente essendo costituiti da superfici di rivoluzione di stesso asse, il collo sonico e costituito dalla sezione secondo un piano perpendicolare a detto asse di una superficie di rivoluzione conica tangen- te al divergente in corrispondenza alla circonferen.

za di raccordo della prima parte del divergente con la seconda parte del divergente.

P-P.INSTITUT DE REGHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISU zanardo P.

Ing Ba3 ciale Rog@nfe Tr.2122/ca/MAT/.

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