專利名稱：提供相鄰的湍流氣體噴射和一致氣體噴射的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及氣體動力學(xué)，更具體為涉及一致氣體噴射(coherent gasjet)技術(shù)。
在氣體動力學(xué)領(lǐng)域中，最近的主要進(jìn)展為開發(fā)一致噴射技術(shù)，這種技術(shù)產(chǎn)生能夠長距離輸送氣體，同時基本維持在其初始速度不變并且其直徑只有非常小的增大的激光狀噴射。一致噴射技術(shù)在工業(yè)上非常重要的一個應(yīng)用為將氣體導(dǎo)入液體如熔融金屬，由此可以使設(shè)置的氣體噴槍(gas lance)距液體表面較遠(yuǎn)，并且由于多得多的氣體穿過進(jìn)入液體，使得操作更安全，并且更有效(與常規(guī)實踐時許多氣體被液體表面所折射而不能進(jìn)入液體相比)。
人們有時需要將一致氣體噴射和湍流氣體噴射同時用于工業(yè)操作。例如，煉鋼時有時需要采用一致氣體噴射將氣體注入熔融的金屬中用于攪拌，同時采用一個或多個湍流氣體噴射用于燃燒和/或脫碳。如果它們相隔不遠(yuǎn)的話，那么一個湍流氣體噴射可能破壞另一個氣體噴射。在現(xiàn)有技術(shù)中，對于需要同時采用一致氣體噴射和湍流氣體噴射的工業(yè)操作，需要采用昂貴的兩個單獨的氣體輸送系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供能將相互靠近的一致氣體噴射和湍流氣體噴射有效提供至注入?yún)^(qū)的系統(tǒng)。
上面和其它目的(對于讀完本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的)，可以通過本發(fā)明來實現(xiàn)，其一個方面為提供一種使湍流氣體噴射和一致氣體噴射相鄰送入一個注入?yún)^(qū)的方法，該方法包括(A)使氣體噴射進(jìn)入一個成形區(qū)，使燃料流與氣體噴射成環(huán)狀進(jìn)入成形區(qū)，并使氧化劑與氣體噴射成環(huán)狀流入成形區(qū)；(B)用燃料燃燒氧化劑以形成所述氣體噴射的火焰包圍；
(C)使來自所述成形區(qū)的氣體噴射和火焰包圍進(jìn)入注入空間，所述氣體噴射為一致氣體噴射；和(D)使至少一個湍流氣體噴射進(jìn)入與一致氣體噴射相鄰的注入空間，其中火焰包圍位于一致氣體噴射和湍流氣體噴射之間。
本發(fā)明的另一個方面為提供相鄰的湍流氣體噴射和一致氣體噴射進(jìn)入注入?yún)^(qū)的裝置，其包括(A)一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備，其包括一個具有與成形區(qū)進(jìn)行產(chǎn)物交換的一致氣體噴嘴，所述成形區(qū)與注入?yún)^(qū)進(jìn)行交換；(B)向與一致氣體噴嘴成環(huán)狀的成形區(qū)提供燃料的設(shè)備。
(C)向與一致氣體噴嘴成環(huán)狀的成形區(qū)提供氧化劑的設(shè)備；和(D)與一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備相鄰的湍流氣體噴射供應(yīng)設(shè)備，所述湍流氣體噴射供應(yīng)設(shè)備包括一個直接與注入?yún)^(qū)進(jìn)行產(chǎn)物交換的湍流氣體噴嘴。
此處所用術(shù)語“一致噴射”是指由來自噴嘴的排出氣體形成的、沿其長度的速度和動量分布與從噴嘴排出時的速度和動量分布相似的氣體噴射。
此處所用術(shù)語“環(huán)狀”是指環(huán)的形狀。
此處所用術(shù)語“火焰包圍”是指與至少一個氣流基本同軸的環(huán)狀燃燒流。
此處所用術(shù)語“長度”是指當(dāng)用于一致氣體噴射設(shè)備時為從氣體排出的噴嘴至一致氣體噴射所要到達(dá)的沖擊點或至一致氣體噴射終止的位置的距離。
此處所用術(shù)語“湍流噴射”是指由從噴嘴排出的氣體形成的、沿其長度的速度和動量分布與其從噴嘴排出時的速度和動量分布不同的氣體噴射。


圖1為一個截面圖，代表本發(fā)明的一個噴槍尖端的一個尤其優(yōu)選的實施方案。
圖2為圖1所示設(shè)備的俯視圖。
圖3為說明本發(fā)明方法操作時的一個橫截面圖。
圖中相同的元件采用相同的編號。
本發(fā)明是能同時提供相互鄰接的一致氣體噴射和湍流氣體噴射的一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有犧牲任一種氣體噴射或由此獲得的優(yōu)點。這兩種不同類型的氣體噴射最優(yōu)選采用相同的噴槍。
以下將參照附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。使來自氣源(未標(biāo)出)的氣體1通過一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備2，該設(shè)備包括一致氣體通道3和一致氣體噴嘴4(如圖1所示，優(yōu)選為一個聚集/散射噴嘴)。氣體1可以是形成一致氣體噴射的適用氣體。這些氣體包括氧、氮、氬、二氧化碳、氫、氦、水蒸汽、烴類氣體以及包含其一種或多種的混合物。一致氣體噴嘴4與成形區(qū)5進(jìn)行交換，并且氣體1以氣體噴射30的形式進(jìn)入成形區(qū)5。
使來自燃料源(未標(biāo)出)的燃料6通過通道7，所述通道與一致氣體通道3和一致氣體噴嘴4成環(huán)狀并且同軸。所述燃料可以是有效的氣體燃料如甲烷、丙烷或天然氣。燃料通道7與成形區(qū)5進(jìn)行交換，而燃料流從燃料通道7流入與氣體噴射30成環(huán)狀的成形區(qū)5。
使來自氧化劑源(未標(biāo)出)的氧化劑8通過通道9，所述通道與一致氣體通道3成環(huán)狀并且與燃料通道7同軸。氧化劑8可以為空氣、氧濃度超過空氣的富氧空氣或氧濃度至少99％(摩爾)的工業(yè)氧。優(yōu)選氧化劑8為氧濃度至少25％(摩爾)的流體。氧通道9與成形區(qū)5進(jìn)行交換，而氧化劑8從氧通道9流入與燃料流優(yōu)選成環(huán)狀的成形區(qū)5。
燃料流和氧化劑流進(jìn)行燃燒從而形成環(huán)繞并與氣體噴射30同軸的火焰包圍31。優(yōu)選火焰包圍31的速度小于氣體噴射30并且速度范圍通常為300-1500fps。圖1所示的本發(fā)明實施方案為一個優(yōu)選的實施方案，其具有一個折射器10以用于將氧化劑流導(dǎo)入燃料流從而獲得更有效的火焰包圍。成形區(qū)5與注入?yún)^(qū)11進(jìn)行交換，而氣體噴射30和火焰包圍31從成形區(qū)5流入注入?yún)^(qū)11。例如，注入?yún)^(qū)11可以是一個堿性氧氣爐或其它爐如熔煉爐(bath smelting furnace)、不銹鋼轉(zhuǎn)爐、銅轉(zhuǎn)爐或高碳錳鐵精煉爐。
由于優(yōu)選采用向內(nèi)導(dǎo)入氧化劑流的火焰包圍31，氣體噴射30為一致氣體噴射并且保持沿其長度的一致氣體噴射。優(yōu)選一致氣體噴射30為超聲速并且其速度范圍通常為每秒1000-2000英尺(fps)。
與一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備2相鄰的為至少一個湍流氣體噴射供應(yīng)設(shè)備12，其包含一個湍流氣體通道13和直接與注入?yún)^(qū)11進(jìn)行交換的湍流氣體噴嘴14。在附圖所示的實施方案中，將這樣四個湍流氣體供應(yīng)設(shè)備以環(huán)狀布置在位于中心的一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備的周圍。所指相鄰是指距湍流氣體噴嘴14和成形區(qū)5之間的噴槍面15的最近距離(圖2所示的“L”)不超過2英寸，并且其范圍通常為0.25-2英寸。如附圖所示，湍流氣體噴嘴優(yōu)選為聚集/散射噴嘴。
來自氣源(未標(biāo)出)的氣體33通過湍流氣體供應(yīng)設(shè)備13和湍流氣體噴嘴14。氣體33可以是用來形成湍流氣體噴射的適用氣體。這些氣體可以是氧、氮、氬、二氧化碳、氫、氦、蒸汽、烴類氣體以及包含其一種或多種的混合物。
從湍流氣體噴嘴14流出的氣體以一種或多種湍流氣體噴射32的形式直接進(jìn)入注入空間11。一種在本發(fā)明中用于形成湍流氣體噴射尤其優(yōu)選的氣體為含氧氣體，如空氣、富氧空氣或工業(yè)氧氣，它們可以用于實施燃燒反應(yīng)。這些噴射的湍流有助于獲得這種燃燒反應(yīng)的更高效率的燃燒。
盡管一致噴射30和湍流噴射32相互靠近，但一致噴射的一致性沒有受到破壞。這種穩(wěn)定性來源于在成形區(qū)內(nèi)初始形成的一致噴射和在一致噴射和湍流噴射之間的空間存在的火焰包圍31。
采用與附圖所示相似的本發(fā)明的實施方案，進(jìn)行本發(fā)明的測試。
通過轉(zhuǎn)角12度的四個湍流氣體噴嘴(模仿按比例縮小的堿性氧氣爐噴槍)來獲得四個湍流超聲氧氣噴射。將這些噴嘴均勻放成一個直徑1.73”的環(huán)(噴嘴出口的中線)。每個噴嘴為聚集/散射式，其喉部直徑為0.327”，出口直徑為0.426”。對于這些測試，通過各個噴嘴的氧氣流速為10000CFH(NTP)，噴嘴上游的供料壓力為100psig。出口的噴射速率為約1600fps(2馬赫)。
可以將氮氣用于一致噴射。安裝在噴槍軸上的噴嘴為喉部直徑0.20”、出口直徑0.26”的聚集/散射式。通過噴嘴的氮氣流速為4000CFH(NTP)，噴嘴上游的供料壓力為100psig。出口的噴射速度約為1700fps(2馬赫)。
采用天然氣的內(nèi)環(huán)(0.555”O(jiān)D,0.375”ID)和環(huán)狀氧的外環(huán)(0.710”O(jiān)D,0.625”ID)來提供火焰包圍。折射器將另一部分氧轉(zhuǎn)入主要的氮氣噴射從而獲得更有效的火焰包圍。天然氣和第二部分氧氣流的速率各自為500CFH。
在距噴嘴8英寸的噴射軸處采集pitot管讀數(shù)。只有氮氣流過(沒有用于湍流氣體噴嘴的天然氣、環(huán)形氧或氧)時，Pitot管讀數(shù)為2psig。當(dāng)接通天然氣和環(huán)形氧提供火焰包圍時，可以獲得pitot管讀數(shù)為32psig、對應(yīng)氣體流速1390fps(1.4馬赫)的一致氮噴射。當(dāng)接通四個外部湍流氧噴射(10000CFH/噴射)時，氮噴射的pitot管讀數(shù)保持基本相同。所述一致氮噴射不會受進(jìn)入四個外部湍流氧噴射的高夾帶率的影響。
這些結(jié)果表明獲得相鄰一個或多個湍流噴射的一致噴射的關(guān)鍵為在一致噴射和湍流噴射之間具有本發(fā)明的限定的火焰包圍。對于此處所示的實驗性實施例而言，用四個湍流氧噴射維持單個一致氮噴射。相信由火焰包圍的、兩個或多個一致噴射和采用其它氣體如氧、氬、二氧化碳或天然氣的一致噴射可以獲得相似的結(jié)果。
盡管在參照某些特別優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到仍然存在屬于本發(fā)明權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的其它實施方案。例如為形成火焰包圍，采用內(nèi)環(huán)設(shè)備提供氧化劑，采用外環(huán)設(shè)備提供燃料，或者燃料或氧化劑可以分別采用一種以上的供應(yīng)設(shè)備。
權(quán)利要求
1．提供相鄰的湍流氣體噴射和一致氣體噴射(coherent gasjets)進(jìn)入注入?yún)^(qū)的方法，其包括(A)使氣體噴射進(jìn)入成形區(qū)，使燃料流與氣體噴射成環(huán)狀進(jìn)入成形區(qū)，并使氧化劑與氣體噴射成環(huán)狀流入成形區(qū)；(B)用燃料燃燒氧化劑從而形成環(huán)繞氣體噴射的火焰包圍；(C)使來自成形區(qū)的氣體噴射和火焰包圍進(jìn)入注入空間，所述氣體噴射為一致氣體噴射；和(D)使至少一個湍流氣體噴射進(jìn)入與一致氣體噴射相鄰的注入空間，其中火焰包圍位于一致氣體噴射和湍流氣體噴射之間。
2．權(quán)利要求1的方法，其中燃料流與氧化劑流成環(huán)狀。
3．權(quán)利要求1的方法，其中氧化劑流與燃料流成環(huán)狀。
4．權(quán)利要求1的方法，其中一致氣體噴射包含氮、氧、氬、二氧化碳或天然氣的一種或多種。
5．權(quán)利要求1的方法，其中湍流氣體噴射包含氧。
6．提供相鄰的湍流氣體噴射和一致氣體噴射進(jìn)入注入?yún)^(qū)的裝置，其包括(A)一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備，其包含具有與成形區(qū)進(jìn)行產(chǎn)物交換的一致氣體噴嘴，所述成形區(qū)與注入?yún)^(qū)進(jìn)行交換；(B)向與一致氣體噴嘴成環(huán)狀的成形區(qū)提供燃料的設(shè)備；(C)向與一致氣體噴嘴成環(huán)狀的成形區(qū)提供氧化劑的設(shè)備；和(D)與一致氣體噴射供應(yīng)設(shè)備相鄰的湍流氣體噴射供應(yīng)設(shè)備，所述湍流氣體噴射供應(yīng)設(shè)備包含一個與注入?yún)^(qū)直接進(jìn)行產(chǎn)物交換的湍流氣體噴嘴。
7．權(quán)利要求6的裝置，其中所述一致氣體噴嘴為聚集/散射噴嘴。
8．權(quán)利要求6的裝置，其中從一致氣體噴嘴周邊到湍流氣體噴嘴周邊的距離為0.25-2英寸。
9．權(quán)利要求6的裝置，其包括許多湍流氣體噴嘴。
10．權(quán)利要求6的裝置，其進(jìn)一步包括將氧化劑導(dǎo)入成形區(qū)內(nèi)的燃料的設(shè)備。
全文摘要
在與一個或多個湍流氣體噴射相鄰的一個或多個一致氣體噴射中,提供氣體進(jìn)入注入?yún)^(qū)的系統(tǒng),其中在進(jìn)入湍流氣體直接進(jìn)入其中的注入?yún)^(qū)之前,在成形區(qū)中形成火焰包圍的一致氣體噴射。
文檔編號F23D14/32GK1307936SQ0110308
公開日2001年8月15日 申請日期2001年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月2日
發(fā)明者J·E·安德森, B·薩馬, R·J·塞林埃斯, P·C·馬圖爾 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司