СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ КОГЕРЕНТНОЙ СТРУИ Российский патент 2002 года по МПК F23D14/22 F23D14/84 

Изобретение, в общем, касается технологии использования когерентной струи.

Недавним значительным достижением в области газодинамики является разработка технологии использования когерентной струи, при которой создают струю газа подобно лазерному лучу, которая может распространяться на большое расстояние, при этом все еще сохраняя по существу всю свою первоначальную скорость при очень небольшом увеличении диаметра струи. Одним очень важным случаем промышленного применения технологии использования когерентной струи является введение газа в жидкость, например в расплавленный металл, при котором газовый инжектор можно располагать на большом расстоянии от поверхности жидкости, что обеспечивает более безопасную, а также более эффективную работу вследствие намного большего проникновения газа в жидкость, чем это возможно при обычной практике, когда большая часть газа отражается от поверхности жидкости и не входит в нее.

В некоторых случаях желательно изменить длину когерентной струи, например ее длину от газового инжектора до поверхности жидкости. Это может быть сделано изменением высоты расположения газового инжектора, т.е. размещением его ближе к поверхности жидкости или дальше от нее, но это является обременительным делом, отнимающим много времени. Длину когерентной струи можно изменить также посредством изменения размеров сопла газового инжектора, но это опять является неудобным. Кроме того, можно изменить длину когерентной струи, изменяя расход газа, который образует когерентную струю. Однако, подобная практика может быть нежелательной, так как она потенциально может неблагоприятно повлиять на весь процесс, например на рафинирование металла, при котором применяется технология использования когерентной струи.

Известен способ изменения длины когерентной струи, содержащий подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при первом расходе газообразного топлива и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей первую длину (US 5823762).

Задачей данного изобретения является создание способа изменения длины когерентной струи без необходимости изменения оборудования, используемого для создания когерентной струи, а также без необходимости изменения какого-либо другого параметра газа, образующего когерентную струю, например его расхода.

Вышеуказанные и другие задачи, которые станут очевидными для специалистов в данной области после прочтения нижеследующего описания, решаются тем, что в способе изменения длины когерентной струи, содержащем (А) подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при первом расходе газообразного топлива и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей первую длину, согласно изобретению после этого осуществляют (Б) подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при втором расходе газообразного топлива, который отличается от первого расхода газообразного топлива, и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей вторую длину, которая отличается от первой длины. Второй расход газообразного топлива может быть больше, чем первый расход газообразного топлива, а вторая длина больше, чем первая длина. Второй расход газообразного топлива также может быть меньше, чем первый расход газообразного топлива, а вторая длина меньше, чем первая длина.

В качестве основного газа используют газообразный кислород и добавляют инертный газ в газообразное топливо, подаваемое при втором расходе газообразного топлива, при этом в качестве инертного газа используют газообразный азот. Инертный газ подают при таком расходе инертного газа, что сумма расхода инертного газа и второго расхода газообразного топлива по существу равна первому расходу газообразного топлива. Инертный газ при первом расходе инертного газа добавляют к газообразному топливу, подаваемому при первом расходе газообразного топлива, а инертный газ при втором расходе инертного газа добавляют к газообразному топливу, подаваемому при втором расходе газообразного топлива.

При осуществлении способа применяют множество когерентных струй, а расход газообразного топлива для каждой из указанных когерентных струй изменяют так, чтобы изменялась длина каждой когерентной струи. Причем окислитель для сгорания с газообразным топливом для образования оболочки пламени подают на стадии (А) с расходом, который по существу аналогичен расходу, при котором его подают на стадии (Б).

Используемый здесь термин "когерентная струя" означает газовую струю, которая на значительном расстоянии от сопла, из которого она выпущена, имеет профиль скоростей, сходный с профилем скоростей, который она имеет при выпуске из сопла.

Используемый здесь термин "кольцевой" означает в форме кольца.

Используемый здесь термин "оболочка пламени" означает кольцевой горящий поток, соосный потоку основного газа.

Используемый здесь термин "длина", когда он относится к когерентной струе газа, означает расстояние от сопла, из которого выпускается газ, до намеченной точки воздействия когерентной струи газа или до места, где струя газа перестает быть когерентной.

Изобретение будет подробно описано со ссылкой на чертежи, где
на фиг.1 изображен вид в разрезе;
на фиг.2 - вид передней части одного варианта выполнения наконечника фурмы, который может быть использован в качестве инжектора для газа при осуществлении этого изобретения;
на фиг. 3 и 4 - принцип действия изобретения, посредством которого изменяют длину когерентной струи. Позиции на фигурах являются одинаковыми для общих элементов;
на фиг. 5 - графическое изображение результатов испытаний, показывающее принцип действия изобретения.

Подробное описание изобретения
Как показано на фиг.1 и 2, основной газ проходит через центральный канал 2 фурмы 1 для образования когерентной струи и затем через суживающееся-расширяющееся сопло 50, а после этого выходит из фурмы 1 через отверстие 11 сопла, образуя поток основного газа. Обычно скорость потока основного газа находится в пределах от 300 до 2440 метров в секунду (м/сек), расход потока основного газа - в пределах от 280 до 56600 кубических метров в час (м³/час).

При осуществлении изобретения в качестве основного газа может быть использован любой эффективный газ. Среди таких газов можно назвать кислород, азот, аргон, двуокись углерода, водород, гелий, водяной пар и газообразные углеводороды. При осуществлении этого изобретения можно в качестве основного газа использовать также смеси, содержащие два или несколько газов, например воздух. Особенно полезным газом для использования в качестве основного газа при осуществлении этого изобретения является газообразный кислород, который может быть определен как текучая среда, имеющая концентрацию кислорода, по меньшей мере, 25 мол. %. Газообразный кислород может иметь концентрацию кислорода, превышающую 90 мол.%, и может быть техническим кислородом, который по существу является чистым кислородом.

Газообразное топливо, а именно метан, природный газ или распыленная жидкость, например распыленное жидкое топливо, пропускают через фурму 1, или через канал 3, или через канал 4, каждый из которых в радиальном направлении находится на расстоянии от центрального канала 2 и является соосным ему. Газообразное топливо предпочтительнее пропускать через соосный канал 3, расположенный ближе к центру. Газообразное топливо выходит из фурмы 1 предпочтительно или через сопло 7, или через сопло 8, показанные на фиг.1, при расположении торцевой поверхности 5 фурмы заподлицо с отверстием сопла 50. Каждое отверстие сопел 7 и 8 могло бы представлять собой кольцевое отверстие вокруг отверстия 11 или предпочтительно, как это показано на фиг.2, кольцо из отверстия 9 и 10 вокруг отверстия 11 сопла. Газообразное топливо выходит из фурмы 1 со скоростью, которая предпочтительно меньше, чем скорость основного газа, и обычно находится в пределах от 30 до 300 м/сек.

Газообразное топливо сгорает с окислителем с образованием оболочки пламени вокруг потока основного газа и вдоль него предпочтительно на всю длину когерентной струи. Окислителем может быть воздух, обогащенный кислородом воздух, имеющий концентрацию кислорода, превышающую его концентрацию в обычном воздухе, или технически чистый кислород, имеющий концентрацию кислорода, по меньшей мере, 99 мол.%. Окислителем предпочтительно является текучая среда, имеющая концентрацию кислорода, по меньшей мере, 25 мол.%. Окислитель может быть использован для сжигания газообразного топлива любым эффективным способом. В одном предпочтительном варианте воплощения изобретения, который показан на фиг.1 и 2, окислитель подается через соосный канал - или канал 3, или канал 4, который не используется для подачи газообразного топлива. Это приводит к взаимодействию и сгоранию газообразного топлива и окислителя с образованием оболочки пламени при их соответствующих выпусках из фурмы 1.

Оболочка пламени вокруг потока основного газа служит для предотвращения втягивания окружающего газа в поток основного газа, посредством чего предотвращаются значительное уменьшение скорости потока основного газа и значительное увеличение диаметра этого потока на его желаемой длине, пока он не достигнет желаемой точки воздействия, например поверхности ванны расплавленного металла. Таким образом, оболочка пламени служит для создания и сохранения потока основного газа в виде когерентной струи по длине струи.

Изобретение дает возможность изменять длину когерентной струи без необходимости делать какие-либо изменения в оборудовании, например, изменяя сопло для основного газа или изменяя расстояние между наконечником фурмы и желаемой точкой воздействия струи, а также без необходимости изменять расход основного газа. При осуществлении этого изобретения, когда желательно изменить длину когерентной струи с существующей длины, т.е. с первой длины на другую длину, т. е. на вторую длину, все, что необходимо, так это изменить расход газообразного топлива с расхода, применяемого для создания оболочки пламени, связанной с первой длиной, т.е. с первого расхода газообразного топлива, на его второй расход. Увеличение расхода газообразного топлива с его первого на второй расход увеличит длину когерентной струи с первой длины на вторую длину, а уменьшение расхода газообразного топлива с его первого на второй расход уменьшит длину когерентной струи с первой длины на вторую длину.

На фиг. 3 и 4 показан принцип действия изобретения, когда когерентная струя 20 имеет первую длину на фиг.3, которая превышает ее вторую длину на фиг.4. В общем, длина когерентной струи приблизительно пропорциональна квадратному корню расхода газообразного топлива. Кроме того, фиг.3 и 4 иллюстрируют особенно предпочтительный вариант воплощения изобретения, в котором используемый выступ способствует образованию оболочки пламени. Выступ 21, имеющий длину по существу в пределах 13-152 мм, простирается от торцевой поверхности 5 фурмы с образованием полости 22, с которой сообщаются выпускное отверстие 11 сопла и кольцевые выпускные каналы 7 и 8 и внутри которой первоначально образуются газовая струя и оболочка пламени 23 вокруг струи 20 основного газа. Полость 22, образованная выступом 21, создает защитную зону, которая служит для защиты потока основного газа, а также топлива и окислителя сразу же после их выхода из конца фурмы, таким образом, способствуя достижению когерентности в струе основного газа. Защитная зона вызывает рециркуляцию топлива и окислителя вокруг струи основного газа.

В качестве примера и для дополнительной иллюстрации изобретения представлены нижеследующие результаты испытаний. Они не рассматриваются как ограничительные. В этих примерах для создания когерентных струй использовали фурму, сходную с той, которая показана на фиг.3 и 4. В качестве сопла для основного газа использовали сходящееся-расходящееся сопло с диаметром горловины 15,75 мм и диаметром выходного отверстия 20,57 мм. Основным газом был технически чистый кислород, который выпускали из фурмы при расходе 1020 кубических метров в час (м³/час) под избыточным давлением 7 кг/см². Газообразным топливом был природный газ, подававшийся через канал, расположенный ближе к центру, и выходивший из фурмы через 16 отверстий, каждое из которых имело диаметр 3,912 мм и было расположено на лицевой поверхности фурмы на окружности диаметром 50,8 мм. Окислителем, который сгорал с газообразным топливом с образованием оболочки пламени, был технически чистый кислород, который подавали через канал, расположенный ближе к периферии, и выпускали из фурмы через 16 отверстий, каждое из которых имело диаметр 5,055 мм и было расположено на лицевой поверхности фурмы на окружности диаметром 69,85 мм. Во время испытаний расход этого кислорода поддерживали постоянным, в то время как изменяли расход газообразного топлива. Фурма на своей периферии также имела выступ длиной 50,8 мм для экранирования газов после их выпуска из фурмы. Когерентная струя имела сверхзвуковую скорость около 486 м/сек.

При данном расходе газообразного топлива измеряли длину когерентной струи, образованной при вышеописанных параметрах, и регистрировали результаты. Затем изменяли расход газообразного топлива, т.е. на его второй расход, и измеряли и регистрировали новую, т.е. вторую, длину когерентной струи. Результаты показаны на фиг.5 в виде кривой А. На фиг.5 измеренные значения длины когерентной струи отложены по вертикальной оси, а измеренные значения расхода газообразного топлива - по горизонтальной оси. Как можно видеть на кривой А, возможно увеличение длины когерентной струи посредством увеличения расхода газообразного топлива, а также возможно уменьшение длины когерентной струи посредством уменьшения расхода газообразного топлива.

В интервале расхода природного газа от 0 до 141 м³/час увеличение длины когерентной струи вначале является очень крутым, а затем становится плавным. В интервале расхода природного газа от 0 до 28 м³/час длина когерентной струи увеличивается с 229 до 711 мм, т.е. на 482 мм (больше, чем на 200%). При дополнительном увеличении расхода природного газа на 113 м³/час (с 28 до 141 м³/час) длина когерентной струи увеличивается с 711 до 1168 мм, т.е. на 457 мм (приблизительно на 65%).

Кроме того, на фиг.5 показаны результаты, которые получены с предпочтительным вариантом воплощения изобретения и которые также служат для иллюстрации неожиданного характера изобретения. Повторяли вышеописанную методику за исключением того, что, когда расход газообразного топлива понижали до менее чем 141 м³/час, в топливо добавляли инертный газ, которым в этом примере был газообразный азот, так, чтобы суммарный расход газообразного топлива и инертного газа был равен 141 м³/час. Результаты этой группы испытаний показаны на фиг. 5 в виде кривой В. Как можно видеть, результаты при использовании изобретения с добавлением инертного газа по существу аналогичны результатам, полученным без применения инертного газа. Это показывает, что регулирование длины когерентной струи посредством управления расходом газообразного топлива является не просто физическим воздействием, вызванным изменением расхода текучей среды, протекающей вблизи потока основного газа, так как аналогичное регулирование достигается, когда расход текучей среды, протекающей вблизи потока основного газа, остается постоянным (кривая В).

Результаты, представленные кривой на фиг.5, служат не только для демонстрации неожиданного характера изобретения, но также и для показа примера предпочтительного варианта воплощения изобретения. При небольших расходах газообразного топлива отверстия, через которые выпускается топливо, могли засоряться или иным образом становиться закупоренными. Благодаря использованию добавляемого инертного газа с газообразным топливом можно поддерживать высокий суммарный расход топлива и инертного газа для противодействия любому возможному загрязнению без ущерба для любого регулирования длины когерентной струи, как это показывают результаты испытаний, представленные на фиг.5.

При осуществлении этого изобретения можно использовать любое подходящее число когерентных струй. Когда в случае промышленного применения используют более одной когерентной струи, способ согласно этому изобретению может быть использован для изменения длины одной или любого числа либо всех когерентных струй. Например, в кислородном конвертере, в котором используют четыре когерентные струи, можно изменять расход газообразного топлива во всех фурмах, чтобы одновременно изменять длину всех когерентных струй.

Итак, используя это изобретение, можно быстро и точно изменять длину когерентной струи без необходимости делать какое-либо изменение в оборудовании или необходимости изменять расход газа, добавляемого в когерентную струю. Хотя изобретение подробно описано со ссылкой на определенные предпочтительные варианты его осуществления, специалисты в данной области признают, что в пределах сущности и объема формулы изобретения существуют другие варианты воплощения изобретения. Например, если в качестве газообразного топлива применяется распыленная жидкость, то может также применяться средство для подачи распыливающего газа в топливо.

Изобретение относится к технологии использования когерентной струи. Способ изменения длины когерентной струи содержит (А) подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при первом расходе газообразного топлива и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей первую длину, после этого осуществляют (Б) подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при втором расходе газообразного топлива, который отличается от первого расхода газообразного топлива, и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей вторую длину, которая отличается от первой длины. Изобретение позволяет обеспечить изменение длины когерентной струи без необходимости изменения оборудования, используемого для создания когерентной струи, а также без необходимости изменения какого-либо другого параметра газа, образующего когерентную струю, например его расход. 9 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ изменения длины когерентной струи, содержащий (А) подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при первом расходе газообразного топлива и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей первую длину, отличающийся тем, что после этого осуществляют (Б) подачу основного газа в потоке основного газа при расходе основного газа, подачу газообразного топлива при втором расходе газообразного топлива, который отличается от первого расхода газообразного топлива, и сжигание газообразного топлива с окислителем для образования оболочки пламени, соосной потоку основного газа, для создания когерентной струи, имеющей вторую длину, которая отличается от первой длины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй расход газообразного топлива больше, чем первый расход газообразного топлива, а вторая длина больше, чем первая длина. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй расход газообразного топлива меньше, чем первый расход газообразного топлива, а вторая длина меньше, чем первая длина. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основного газа используют газообразный кислород. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что добавляют инертный газ в газообразное топливо, подаваемое при втором расходе газообразного топлива. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют газообразный азот. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что инертный газ подают при таком расходе инертного газа, что сумма расхода инертного газа и второго расхода газообразного топлива, по существу, равна первому расходу газообразного топлива. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инертный газ при первом расходе инертного газа добавляют к газообразному топливу, подаваемому при первом расходе газообразного топлива, а инертный газ при втором расходе инертного газа добавляют к газообразному топливу, подаваемому при втором расходе газообразного топлива. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют множество когерентных струй, а расход газообразного топлива для каждой из указанных когерентных струй изменяют так, чтобы изменялась длина каждой когерентной струи. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окислитель для сгорания с газообразным топливом для образования оболочки пламени подают на стадии (А) с расходом, который, по существу, аналогичен расходу, при котором его подают на стадии (Б).