SE526295C2 - Koherent jetlans och metod för att åstadkomma en koherent gasstråle - Google Patents

Description

f),_/_ ÛÛF' 41-5 a- 1 u 2 Återcirkulationsförlängningen medför, även om den utgör en förbättring i förhållan- de till tidigare koherenta strålsystem vissa problem när det gäller lansutformningen och lansens livstid, beroende på behovet av att vattenkyla spetsen. Dessa problem har särskilt stor betydelse då det koherenta strålsystemet används i en väldigt ag- gressiv miljö som t ex en basisk syrgasugn.

Det är alltså ett ändamål med denna uppñnning att tillhandahålla ett system som kan ge effektiva koherenta gasstrålar utan att man behöver ha en förlängning av lansen eller annat element för att bilda en återcirkulationszon för gaserna som sprutas ut ur lansen.

Sanimanfattning av uppfinningen De ovanstående och andra ändamål, som kommer att bli tydliga för fackmannen då han läser denna beskrivning, uppnås genom föreliggande uppfinning, för vilken en aspekt är: En metod för att åstadkomma åtminstone en koherent gasstråle innefattande: A) ledande av åtminstone en gasstråle ut från åtminstone ett munstycke som är an- ordnat i en lans som har en lansyta där nämnda lansyta har en första ring av portar runt nämnda åtminstone ena munstycke och en andra ring av portar runt nämnda åt- minstone ena munstycke och på ett avstånd radiellt från nämnda första ring av por- tar, där varje port i den andra ringen av portar är i linje med en port i den första ringen av portar; B) ledande av bränsle ut från den första av ringarna av portar och ledande av oxida- tionsmedel ut från den andra av ringarna av portar, varvid nämnda åtminstone ena gasstråle och bränslet och oxidationsmedlet leds ut från lansen direkt in i en insprut- ningsvolym utan att den leds genom en återcirkulationszon som bildas av en för- längning på lansen; och C) förbränning av bränslet och oxidationsmedlet som leds ut från den första och andra ringen av portar för att ge ett flamhölje runt nämnda åtminstone ena gasstråle.

En annan aspekt av uppfinningen är: En koherent jetlans innefattande: A) en lans som har en lansyta och som har åtminstone ett munstycke som har en öppning i lansytan och som inte har någon förlängning som bildar en återcirkula- tionszon i närheten av lansytan; B) en första ring av portar runt munstyckets öppning/öppningar och en andra ring av portar på ett radiellt avstånd från den första ringen av portar runt munstyckets öpp- ning/öppningar, där varje port i den andra ringen av portar är i linje med en port i den första ringen av portar; och C) medel för att tillhandahålla bränsle till den första av ringama av portar och medel för att tillhandahålla oxidationsmedel till den andra av ringarna av portar.

Termen ””lansytradie”” betyder, då den används i detta sammanhang, en tänkt linje som löper från centrum av lansytan till Omkretsen på lansytan.

Termen ”i linje med” betyder, då den används i detta sammanhang, att ligga på samma lansytradie.

Termen ”förlängning” betyder, då den används i detta sammanhang, vilken som helst struktur, fysiskt ansluten till lansen eller inte, som tjänar till att bilda en skyd- dad volym eller zon intill lansytan.

Ln l D f;,š\ h.) xï) (51 4 Termen ”lansyta” betyder, då den användas i detta sammanhang, den yta hos lansen som är vänd mot en injektionsvolym.

Termen ”koherent stråle” innebär, då den används i detta sammanhang, en gasstråle som bildas genom utskjutning av gas från ett munstycke och som har en hastighet och en momentprofil utefter en längd av åtminstone 20d, där d är diametern hos munstyckets utloppsöppning, som är liknande dess hastighet och momentprofil vid utsprutning från munstycket. Ett annat sätt att beskriva en koherent stråle är en gas- stråle som har liten eller ingen förändring i sin diameter under en sträcka av åtmin- stone 20d.

Termen ”längd” innebär, då den används i detta sammanhang, då den hänför sig till en koherent gasstråle, avståndet från munstycket från vilket gasen sprutas ut till den avsedda anslagspunkten fór den koherenta gasstrålen eller till den punkt där gas- strålen upphör att vara koherent.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Fig 1 är en vy framifrån av en fóredragen utforingsform av en lansyta och fig 2 är en tvärsnittsvy av en fóredragen utfóringsforrn av en lans som har en sådan lansyta som kan användas vid tillämpningen av denna uppfinning.

Fig 3 visar den utfóringsform av uppfinningen som illustreras i fig 1 och 2 under drift. Hänvisningsbeteckningama i figurerna är samma for element som förekommer i flera ritningar.

Detaljerad beskrivning Uppfinningen kommer här att beskrivas i detalj med hänvisning till ritningarna.

I fig 1, 2 och 3 visas hur gas leds, vilket visas med flödespilen 1, genom åtminstone ett munstycke 2, företrädesvis ett konvergerande/divergerande munstycke, och se- dan ut ur lansen 3 genom en munstycksöppning/öppningar 4 på lansytan 6, så att en koherent gasstråleström eller strömmar 5 bildas i injektionsvolymen 7. Hastigheten hos gasströmmen/strömmarna 5 är normalt inom området från 700 till 3000 fot/s (fps), (214 till 915 m/s). Hastigheten hos gasströmmen/strömmania 5 är företrädes- vis över ljudhastigheten då den bildas vid utsprutning från lansytan och förblir över ljudhastigheten under en sträcka av åtminstone 20d. Även om figurerna illustrerar en utföringsfonn som använder fyra koherenta gasstrålar som sprutas ut från lansen genom fyra respektive munstycken, kan antalet gasstrålar som sprutas ut från lansen genom respektive munstycke vid utövandet av denna uppfinning vara inom inter- vallet från 1 till 6. Injektionsvolyrnen, i vilken de koherenta gasstrålama sprutas ut, är företrädesvis en metallproducerande ugn som t ex en ståltillverkningsugn. Mest föredraget är att då ett flertal munstycken används, varje munstycke är vinklat bort från de andra och från mittaxeln hos lansen.

Vilken som helst effektiv gas kan användas som gas för bildande av en koherent stråle/stålar vid utövandet av denna uppfinning. Bland sådana gaser kan nämnas syre, kväve, argon, koldioxid, väte, helium, ånga och kolvätegaser. Även blandning- ar innefattande två eller flera gaser, t ex luft, kan användas som gas vid utövandet av denna uppfinning.

En första ring 30 av portar är placerad på lansen runt munstycksöppningen eller öppningama 4 och en andra ring 31 av portar år placerad på lansen runt munstycks- öppningen eller öppningarna 4 och på ett radiellt avstånd utåt från den första ringen av portar. Ringen 30 är företrädesvis en cirkel som har en diameter i intervallet från 1,5 till 20 inches (3,8 till 50,8 cm), och ringen 31 är företrädesvis en cirkel som har en diameter inom området från 1,75 till 23 inches (4,4 till 58,4 cm). Var och en av ringarna 30 och 31 innefattar i allmänhet 4 till 48 portar och varje port är företrä- desvis en cirkel som har en diameteri intervallet från 0,05 till 1,25 inches (0,l3 till .O 0000 II I 0 OO 00 0 00 30 o o 0 o oo f n D fi) \. _) UT 6 3,2 cm). Varje port i den andra ringen 31 av portar är i linje med en port på den för- sta ringen 30 av portar, även om verkan hos uppfinningen inte kommer att förloras om antingen den första ringen 30 eller den andra ringen 31 eller båda ringarna 30 och 31 innehåller en eller ett litet antal av ytterligare portar som inte ligger i linje med en port på den andra ringen. Bränslet tillhandahålles till en av de två ringarna av portar, företrädesvis till den inre eller första ringen 30, och oxidationsmedlet till- handahålles till den andra ringen av portar, företrädesvis den yttre eller andra ringen 31. Bränslet och oxidationsmedlet sprutas ut från lansen 3 från deras respektive ringar av portar in i injektionsvolymen 7. Hastigheten hos bränslet och oxidations- medlet som sprutas ut från ringen av portar kan vara under ljudhastigheten, vid ljud- hastigheten eller över ljudhastigheten. Hastigheter vid och över ljudhastigheten för det insprutade bränslet och oxidationsmedlet förbättrar utstötningen av frärnrnande materia som annars skulle kunna komma in i och sätta igen portarna, vilket är sär- skilt viktigt då uppfinningen används i en aggressiv miljö som t ex i en ståltillverk- ningsugn. Om så önskas kan hastigheten hos det utsprutade bränslet och oxida- tionsmedlet vara över ljudhastigheten vid en hastighet som är större än Mach 1 upp till Mach 2.

Det bränsle som sprutas ut från portarna är företrädesvis gasfonnigt och kan vara vilket bränsle som helst, som t ex metan eller naturgas. Det oxidationsmedel som sprutas ut från portarna på den andra ringen kan vara luft, syrgasberikad luft som har en syrgaskoncentration som överstiger den för luft, eller kommersiellt syre som har en syrgaskoncentration på åtminstone 90 mol-%. Oxidationsmedlet är företrädesvis en fluid som har en syrgaskoncentration på åtminstone 25 mol%. Bränslet och oxi- dationsmedlet som leds ut från lansen bildar ett gashölje runt gasstrålen/stålarna 5 vilket förbränns så att man får ett flamhölje eller flammantel 24 runt gasstrå- len/gasstrålarna 5 inne i injektionsvolyrnen, som t ex en ugn för smält metall. Flam- höljet 24 runt gasstrålarna 5 tjänar till att hindra att omgivande gas dras in i gas- strömmama och hindrar därigenom hastigheten hos gasströmmama från att sjunka i någon betydande utsträckning och hindrar att diametern hos gasströmmama ökar i O ø I 0 c al c (fl r :> (j s f* D \ C) “l '00 II coon 0:” 7 någon betydande grad, åtminstone under en sträcka på 20d från resp munstycksut- gång. Detta innebär att flamhöljet eller flarnmanteln 24 tjänar till att åstadkomma och bibehålla gasströmmar 5 som koherenta strålar under en sträcka på åtminstone 20d från respektive munstycksutlopp.

En viktig aspekt med denna uppfinning och en betydande fördel med denna uppfin- ning är förmågan att bilda effektiva koherenta gasstrålar från en lans utan att behöva göra en förlängning av lansen. Hittills har en förlängning av lansen varit det sätt som använts för att bilda en skyddad återcirkulationszon intill lansytan, för att för- bättra antändningen och förbränningen av flamhöljesgasema vilka sprutas in i den skyddade återcirkulationszonen, och därigenom förbättra koherensen hos gasstrålar- na. Även om användningen av en sådan lansförlängning är en betydande förbättring i förhållande till hur koherenta gasstrålar ursprungligen har åstadkommits, finns det problem med användningen av en sådan förlängning. Vid tillämpning av den nu aktuella uppfinningen leds gaserna som sprutas ut från lansen direkt till injektions- volymen utan att passera genom en skyddad zon eller återcirkulationszon som bildas av en lansförlängning, och ändå kommer den förbättrade koherensen som observe- rats vid användning av en lansfórlängning att uppnås.

Tester utfördes för att utvärdera effektiviteten hos uppfinningen och jämförande test utfördes för att visa fördelen med uppfinningen. Bränslet som användes i testema var naturgas och oxidationsmedlet som användes i testerna hade en syrgaskoncent- ration på 99 mol% och kallas här för sekundärsyre. I varje test hade lansen fyra munstycken för tillhandahållande av gasstrålar. Gasen för gasstrålarna var syrgas som hade en renhet av 99 mol-% och som här kallas för huvudsyre. De testresultat som redovisas nedan visas i illustrerande syfte och är inte avsedda att vara begrän- sande.

Vart och ett av de fyra munstyckena var utformat att släppa igenom 10.000 stan- dard-kubikfot per timme (scfli) (283,75 m3/h) av huvudsyre med ett tillförseltryck på 0 o c 0 c ao 00 o Oil 00 n:co Qzgç 165 pounds per square inch (psig) (1138 kPa) för en total syrgastillförsel på 40.000 scfh (1135 m3/h). Varje munstycke hade en utloppsöppning och en halsdiameter på 0,38 inch (0,96 cm) resp, 0,26 inch (0,66 cm) och var vinklad utåt från lansens mitt- axel med 12°. Bränslet tillhandahölls till en inre ring med 16 portar, där var och en hade en diameter av 0,154 inch (0,39 cm) och där ringdiametem var 1,56 inch (3 ,96 cm). För det jämförande testet tillhandahölls sekundärt syre till en yttre ring med 12 portar där var och en hade en diameter av 0,23 inch (0,58 cm) och där ringdiametern var 2,125 inch (5,4 cm) och där portarna var förskjutna eller anordnade i sick-sack i förhållande till portarna på den inre ringen. Bränslet och det sekundära syrets flöden ver 5.000 eefh (1419 mß/h) respektive 4.000 ee1h(11s,s mß/h) vuker feeuneredei hastigheter av 670 fps (204 m/s) respektive 320 fps (98 rn/s). Lansen hade en åter- cirkulationsförlängning på 0,5 inch längd (1 ,27 cm). Denna konventionella utfonn- ning gav bra koherenta strålar med omkring 18 inch (45,7 cm) längd men längden minskade till 16 inch (40,6 cm) då återcirkulationsförlängningens längd minskades till 0,25 inch (0,63 cm) och minskade ytterligare till 14 inch (7,56 cm) då återcirku- lationsförlängningens längd minskades till 0,1 inch (0,25 cm). Utan någon återcir- kulationsförlängning blev flamhölj et ostabilt och gasstrålen miste sin koherens.

Testet upprepades men med användning av uppfinningen, varvid den yttre ringen hade 16 portar med 0,99 inch (0,505 cm) diameter där var och en vari linje med en port på den inre ringen. Det var ingen minskning i längden hos de koherenta strålar- na och även utan förlängning på lansen var de koherenta strålarna stabila och hade en längd på 18 inch (45,7 cm).

Förutom det test som beskrivs ovan vilka använde ett fyrmunstyckesarrangemang liknande det som illustreras i figurema, utfördes tester och jämförande tester liknan- de de ovan beskrivna med en lans som hade ett enda munstycke och med en inre ring med två inch (5,08 cm) diameter, som hade 16 portar med en diameter av 0,154 inch (0,39 cm) och där den yttre ringen hade en diameter på 2,75 inch O :._2O *i ï- J» (_) r-J v; Lf| 9 (6,98 cm) som hade 16 portar med en diameter av 0,199 inch (O,505 cm). I en testse- rie var portarna hos den yttre ringen förskjutna relativt portarna i den inre ringen och en annan testsexie var portama i den yttre ringen i linje med portarna i den inre ring- en. Munstycket hade en utloppsöppning respektive halsdiameter på 0,81 inch (2,06 cm) respektive 0,62 inch (1,57 cm) och huvudsyrgasen tillfördes vid 36.000 scfh (1,021 m3/h) vid 100 psig (690 kPa). Flödena och hastigheterna för bränsle och sekundärsyre var samma som i testerna som beskrivits ovan. Då förlängningens längd minskade till mindre än 0,5 inch (1,27 cm) uppvisade flamhöljet explosions- artade instabiliteter med det förskjutna eller ”icke på linje”-utíörandet och den kohe~ renta strålens längd sjönk väsentligt från omkring 50 inch (127 cm) till mindre än 40 inch (102 cm). Med den konfiguration där portarna låg på en linje enligt denna upp- finning förblev flamhöljet emellertid stabilt och den koherenta strålens längd förblev vid omkring 50 inch (127 cm) även om man inte hade någon förlängning på lansen. Även om uppfinningen har beskrivits i detalj med hänvisning till vissa föredragna utföringsforrner inser fackmarmen att det finns andra utföringsfonner inom uppfin- ningens idé och skyddsomfånget för kraven. u o o I o I o o!

Claims (10)

10 15 20 25 lïfïf: ÜÜÜ Uni-l LJ.) 10 Patentkrav

1. Metod för att åstadkomma åtminstone en koherent gasstråle kännetecknad av att den innefattar: A) ledande av åtminstone en gasstråle ut ur åtminstone ett munstycke som är anord- nat i en lans som har en lansyta, där nämnda lansyta har en första ring av portar runt nämnda åtminstone ena munstycke och en andra ring av portar runt nämnda åtmin- stone ena munstycke och som är radiellt på avstånd från nämnda forsta ring av por- tar, där varje port i den andra ringen av portar befinner sig i linje med en port i den forsta ringen portar; B) ledande av bränsle ut från den forsta av ringarna av portar och ledande av oxida- tionsmedel ut från den andra av ringarna av portar, varvid den nämnda åtminstone ena gasstrålen och bränslet och oxidationsmedlet leds ut från lansen direkt in i en injektionsvolym utan att passera genom en återcirkulationszon som bildas av en fór- längning på lansen; och C) förbränning av det bränsle och det oxidationsmedel som leds ut från den forsta och andra ringen av portar for att ge ett flamhölje runt nämnda åtminstone ena gas- stråle.

2. Metod enligt krav 1, där gasstrålen/strålama som leds ut från lansen har en has- tighet över ljudhastigheten.

3. Metod enligt krav 1, där ett flertal gasstrålar leds ut från lansen.

4. Metod enligt krav 1, där hastigheten hos det bränsle och det oxidationsmedel som leds ut från den första och andra ringen av portar är vid ljudhastigheten. 10 15 20 25 30 f P1 l D j\ l I) vf) Cïl ll

5. Metod enligt krav 1, där hastigheten hos det bränsle och det oxidationsmedel som leds ut från den första och andra ringen av portar är över ljudhastigheten.

6. Metod enligt krav 1, där den nämnda åtminstone ena gasstrålen och bränslet och oxidationsmedlet leds ut från lansen in i en smältmetallugn.

7. Metod enligt krav l, där var och en av nämnda åtminstone ena gasstråle förflyttas i en sträcka av åtminstone 20d, där d är utgångsdiametern hos munstycket från vilket nämnda gasstråle leds ut, medan den håller diametern i nämnda gasstråle väsentligen konstant.

8. Koherent jetlans kännetecknad av att den innefattar: A) en lans som har en lansyta och som har åtminstone ett munstycke som har en öppning i lansytan och som inte har någon förlängning för att bilda en återcirkula- tionszon intill lansytan; B) en första ring av portar runt munstyckets öppning/öppningar och en andra ring av portar på radiellt avstånd från den första ringen av portar runt munstyckets öpp- ning/öppningar, där varje port i den andra ringen av portar är i linje med en port i den första ringen av portar; och C) medel för att tillhandahålla bränsle till den första av ringama av portar och medel för att tillhandahålla oxidationsmedel till den andra av ringama av portar.

9. Koherent jetlans enligt krav 8, vilken har ett flertal munstycken.

10. Koherent jetlans enligt krav 9, där varje munstycke är vinklat bort från lansens centrumlinje.