Спосіб забезпечення близькості протікання турбулентних і кумулятивних газових струменів і пристрій для його реалізації

1 Спосіб забезпечення близькості протікання турбулентних і кумулятивних газових струменів, що включає проходження струменя газу до формувального об'єму, проходження потоку пального до формувального об'єму по кільцю відносно струменя газу, проходження потоку окислювача до формувального об'єму по кільцю відносно струменя газу, згоряння окислювача разом із пальним для створення оболонки полум'я навколо струменя газу, який відрізняється тим, що струмінь газу і оболонка полум'я проходять із формувального об'єму до інжекційного відділу, причому струмінь газу є кумулятивним струменем газу, і принаймні один турбулентний струмінь проходить до інжекційного відділу у безпосередній близькості до кумулятивного струменя газу, де оболонка полум'я перебуває між кумулятивним струменем газу і турбулентним струменем газу ше з перелічених газів азот, кисень, аргон, вуглекислий газ або природний газ 5 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що турбулентний струмшь(мені) газу включає(ють) кисень 6 Пристрій для забезпечення близькості протікання турбулентних і кумулятивних газових струменів, що включає засоби подання газу, що включають форсунку газу, вихідний отвір якої з'єднаний із формувальним об'ємом, причому зазначений формувальний об'єм з'єднаний із інжекційним об'ємом, який відрізняється тим, що включає засоби подання пального до формувального об'єму по кільцю відносно форсунки газу, де форсунка газу є форсункою кумулятивного газу, засоби подання окислювача до формувального об'єму по кільцю відносно форсунки кумулятивного газу і засоби подання турбулентного струменя газу поблизу засобів подання кумулятивного струменя газу, причому зазначені засоби подання турбулентного струменя газу включають форсунку турбулентного газу, що має вихідний отвір, з'єднаний безпосередньо із інжекційним об'ємом 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що потік пального є кільцевим відносно потоку окислювача 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що потік окислювача є кільцевим відносно потоку пального 4 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що кумулятивний струмінь газу включає один або біль 7 Пристрій за п 6, який відрізняється тим, що форсунка кумулятивного газу є сходжувально/розсіювальною форсункою 8 Пристрій за п 6, який відрізняється тим, що відстань від периметра форсунки кумулятивного газу до периметра форсунки турбулентного газу перебуває в межах від 0,25 дюймів до 2 дюймів (0,635 - 5,08 см) 9 Пристрій за п 6, який відрізняється тим, що включає декілька форсунок турбулентного газу 10 Пристрій за п 6, який відрізняється тим, що включає засоби для спрямування окислювача до пального всередині формувального об'єму Даний винахід здебільшого стосується області динаміки газів, і більш конкретно -технології кумулятивних газових струменів Прогрес в області динаміки газів - розвиток технології кумулятивних газових струменів, яка дозволяє створювати лазероподібний струмінь газу, який здатен проходити великі відстані, майже повністю зберігаючи свою початкову швидкість і із дуже незначним збільшенням діаметру струменя Один з найважливіших шляхів комерційного застосування технології кумулятивного струменя - це введення газу до рідини, такої, як наприклад, рід О со го го (О ю 56333 кии метал, де завдяки цій технологи, газовий спис ний струмінь газу є кумулятивним струменем, і може бути занурений значно глибше від поверхні D) прохід щонайменше одного турбулентного рідини, забезпечуючи таким чином як більшу безструменю газу до інжекційного відділу поблизу від пеку операції, так і більшу и ефективність, оскільки кумулятивного струменя газу, там, де оболонка значно більша КІЛЬКІСТЬ газу потрапляє до рідини, полум'я перебуває між кумулятивним струменем ніж цього можливо досягти, застосовуючи звичайні газу і турбулентним струменем газу Іншим аспектехнологи, коли більша КІЛЬКІСТЬ газу відбивається том даного винаходу є від поверхні рідини, і таким чином до цієї рідини не Пристрій для забезпечення близькості прохопотрапляє дження турбулентного і кумулятивного струменів газу до інжекційного об'єму, що включає Іноді, при промисловому використанні, бажано мати обидва струмені газу і кумулятивний і турбуA) засоби постачання кумулятивного струменя лентний Наприклад, у сталеплавильному виробгазу, що включають форсунку кумулятивного ництві ІНОДІ бажано застосовувати кумулятивний струменя газу, що має отвір, з'єднаний із формуструмінь газу для введення газу до рідкого металу вальним об'ємом, а зазначений формувальний з метою його перемішування, і один, або декілька об'єм є з'єднаним із інжекційним об'ємом, струменів турбулентного газу для підтримання B) засоби постачання пального до формувапроцесу горіння і/або з метою декарбюризацп Тульного об'єму по кільцю стосовно до форсунки рбулентний струмінь здатен спричиняти руйнівну кумулятивного струменя газу, дію стосовно іншого струменя газу, якщо вони C) засоби постачання окислювача до формупротікають близько один до одного Існуючі техновального об'єму по кільцю стосовно до форсунки логи і промислові операції, за яких бажано одночакумулятивного струменя газу, і сне використання обох газових струменів - і турбуD) засоби постачання турбулентного струменя лентного і кумулятивного, вимагають застосування газу найближче до засобів постачання кумулятивдвох окремих систем постачання газу, що призвоного струменя газу, що включають форсунку турдить до значних фінансових витрат булентного струменя газу, що має отвір, безпосередньо з'єднаний із інжекційним об'ємом ВІДОМІ способи і, ВІДПОВІДНО, пристрої, що забезпечують за допомогою складних форсуночних Термін "кумулятивний струмінь", що викорисвузлів формування кількох комбінованих потоків товується тут і надалі, означає струмінь газу, текучого середовища (газу) із досягненням спеціаутворений газом, що виходить із форсунки, і що льних бажаних ефектів Одним з таких технічних має швидкість і профіль імпульсу по всій довжині, рішень, що обрано нами за прототип, є рішення, СХІДНІ із швидкістю і профілем імпульсу, що мав розкрите в описі до патенту США № 5,762,486 струмінь газу, щойно ежектований із форсунки Зазначене рішення передбачає формування комТермін "кільцевий", що використовується тут і бінованого газового струменю шляхом одночасної надалі, означає - у формі кільця подачі газу через окремі, близько розташовані Термін "оболонка полум'я", що використовуфорсунки ється тут і надалі, означає кільцевий струмінь полум'я, що є по суті коаксіальним із, щонайменше Втім, використання винаходу за патентом одним струменем газу США № 5,762,486 не забезпечує вирішення вище викладеної проблеми, а саме - формування стабіТермін "довжина", що використовується тут і льних комбінованих потоків, де турбулентні газові надалі, коли стосується кумулятивного струменя струмені розташовані в безпосередній близькості газу, означає дистанцію від форсунки, з якої газ до кумулятивних газових струменів без взаємного ежектовано до уявної точки попадання кумулятивперемішування, руйнування та будь-якого іншого ного струменя газу, або точки, де струмінь газу взаємного впливу позбувається своїх кумулятивних властивостей В основу даного винаходу покладено задачу Термін "турбулентний струмінь", що викорисзабезпечити формування близько розташованих товується тут і надалі, означає струмінь газу, турбулентних і кумулятивних газових струменів, утворений газом, що виходить із форсунки, і що що не впливають один на одний, шляхом роздімає швидкість і профіль імпульсу по всій довжині, лення їх зоною полум'я що відрізняється від швидкості і профілю імпульсу, що мав струмінь газу, щойно ежектований із форПерелічені вище, а також ІНШІ ЦІЛІ, будуть зросунки зумілими спеціалістам в даній сфері після ознайомлення із даним стислим описом винаходу, одним Фіг 1 - поперечний перетин одного з переважз аспектів якого є них втілень даного винаходу спосіб, що забезпечує близькість протікання Фіг 2 - загальний вигляд пристрою, зображеноодин - до одного кумулятивного і турбулентного го на фіг 1 струменів газу в інжекційному об'ємі, що включає Фіг 3 - поперечний перетин, що ілюструє принцип дії винаходу A) прохід газу до формувального об'єму, прохід струменю пального до формувального об'єму Нумерація в кресленнях співпадає із загальпо кільцю стосовно струменя газу, і прохід струменою нумерацією частин ню окислювача до формувального об'єму по кільВинахід представляє спосіб, що дозволяє одцю стосовно струменя газу, ночасно забезпечити близькість протікання кумулятивного і турбулентного струменів газу один до B) згоряння окислювача разом із пальним з одного, не обмежуючи властивостей жодного із метою створення оболонки полум'я навколо струструменів газу або переваг, що виявляються при меня газу, такому застосуванні, і пристрій для цього НайC) перехід струменя газу разом із оболонкою більш переважно обидва із двох різних типів полум'я до інжекційного відділу, причому зазначе 56333 Переважно кумулятивний струмінь газу ЗО має струменів газу подаються із використанням однієї надзвукову швидкість і загалом має швидкість в форсунки межах від 1000 - до 2000 футів/сек (304,8 Даний винахід буде розкрито більш детально 609,6м/сек) із посиланнями на креслення Газ 1, із джерела Розташованим близько до засобу постачання газу (не показано), проходить через засіб постакумулятивного струменя газу 2 є принаймні один чання кумулятивного струменя газу 2Г що включає засіб постачання турбулентного струменя газу 12, прохід для кумулятивного газу 3 і форсунку кумущо включає прохід турбулентного газу 13, форсунлятивного газу 4, яка, як показано на фіг 1 переку турбулентного газу 14, з'єднану безпосередньо важно є сходжувально/розсіювальною форсункою із інжекційним об'ємом 11 У втіленні, проілюстроГазом 1 може бути будь-який газ, придатний для ваному в кресленнях, чотири подібних засоби поформування кумулятивного струменя газу Серед стачання газу показано розташованими по колу, таких газів кисень, азот, вуглекислий газ, водень, довкола розташованого всередині засобу постагелій, пара, вуглецевий газ, а також можливе зачання кумулятивного газу Під "близькістю" маєтьстосування суміші одного або декількох з переліся на увазі, що найменша відстань по всій довжині чених газів Форсунка кумулятивного газу 4 з'єднасписа газу 15 між форсункою турбулентного газу на із формувальним об'ємом 5 і газ 1 у формі 14 і формувальним об'ємом 5, позначеному як "L" струменя газу ЗО проходить до формувального на Фіг 2 , не перевищує 2 дюймів (5,08см), і загаоб'єму 5 лом перебуває в межах від 0 25 дюймів (0 64см) Пальне 6, із джерела пального (не показано), до 2 дюймів (5,08см) Переважно, як показано на проходить через прохід 7, що є кільцевим стосовкресленнях, форсунка(ки) турбулентного газу є но і коаксіальним із проходом кумулятивного газу З сходжувально/розсіювальною(ними) і форсунки кумулятивного газу 4 В якості пального може використовуватись будь-яке газоподібне пальне, як метан, пропан або природній газ Прохід пального 7 з'єднаний із формувальним об'ємом 5 і потік пального виходить із проходу пального 7 до формувального об'єму 5 по кільцю стосовно струменя газу ЗО Окислювач 8 із джерела окислювача (не показано) проходить через прохід 9, що є кільцевим до проходу кумулятивного газу 3 і коаксіальним стосовно проходу пального 7 Окислювачем 8 може бути повітря, повітря збагачене киснем, що має концентрацію кисню, що перевищує концентрацію кисню звичайного повітря, або комерційний кисень, що має концентрацію кисню, щонайменше 99 моль% Переважно, щоб окислювачем 8 була рідина, що має концентрацію кисню, щонайменше 25 моль% Прохід кисню 9 з'єднаний із формувальним, об'ємом 5, і потік окислювача 8 виходить із проходу окислювача 9 до формувального об'єму 5 переважно по кільцю стосовно потоку пального Потік пального і потік окислювача запалюються з метою створення оболонки полум'я 31 кільцевої стосовно і коаксіальної із потоком газу ЗО Переважно, щоб оболонка газу мала швидкість нижчу від швидкості потоку газу ЗО і загалом має швидкість в межах від 300 до 1500 футів/сек (91,44 457,2м/сек) Втілення винаходу, показане на Фіг 1 , є переважним втіленням, що має дефлектор 10, що служить для спрямування потоку окислювача до потоку пального, створюючи таким чином найбільш ефективну оболонку полум'я Формувальний об'єм 5 з'єднаний із інжекційним об'ємом 11, а потік газу ЗО і оболонка полум'я 31 перетікають із формувального об'єму 5 до інжекційного об'єму 11 Інжекційний об'єм 11, наприклад, може бути частиною вільного простору базової кисневої печі або іншої печі, такої, як ванної сталеплавильної печі, конвертора нержавіючої сталі, мідного конвертора або високо вуглецевої феромарганцевої очисної печі Потік газу ЗО завдяки оболонці полум'я 31, переважно із потоком окислювача, спрямованим всередину, є кумулятивним струменем газу і залишається кумулятивним по всій своїй довжині Газ 33 із джерела газу (не показано) проходить через прохід турбулентного газу 13 і форсунку(ки) турбулентного газу 14 Газом 33 може бути будь-який газ, придатний для формування потоку турбулентного газу Серед таких газів кисень, азот, аргон, вуглекислий газ, водень, гелій, пара, вуглецевий газ, а також можливе застосування суміші одного або декількох з перелічених газів , Газ перетікає із форсунки(ок) турбулентного газу 14 безпосередньо до інжекційного відділу 11 як один, чи більше турбулентних струменів газу 32 Найбільш переважним газом для формування турбулентних струменів газу для застосування в даному винаході є газ, що містить кисень, такий, як повітря, повітря збагачене газом, або комерційний кисень, що може застосовуватись для здійснення реакції запалювання Турбулентність таких струменів сприяє досягненню найбільш ефективного спалення при подібній реакції запалювання Не залежно від близькості розташування кумулятивного струменя ЗО і турбулентного струменя(нів) 32, руйнування кумулятивності кумулятивного струменя не відбувається Ця стабільність завдячує початковому формуванню кумулятивного струменя у формувальному об'ємі і наявності оболонки полум'я 31 у проміжку між кумулятивним струменем і турбулентними струменями Випробування винаходу здійснювались із використанням втілення винаходу, схожого із зображеним в кресленнях Чотири турбулентних надзвукових кисневих струмені отримали від чотирьох форсунок турбулентного газу, розташованих під кутом 12 градусів, моделюючи зменшений спис базової кисневої печі Форсунки були розташовані рівномірно по колу із діаметром 1,73 дюйма (4 39см) (із отворами форсунок, розташованими на центральних ЛІНІЯХ) Кожна була сходжувально/розсіювальною із діаметром горловини 0 327 дюйма (0,83см) і діаметром вихідного отвору 0,426 дюйма (1,08см) Під час випробувань темп проходження кисню через кожну форсунку складав 10,000 фут3/годину 3 (3048м /годину) при нормальних температурі і повітряному тиску, тиск всмоктування кожної форсу 56333 8 нки 100 psig (70310кг/м отвору) Швидкість струму газу 1390футів/сек (423,672м/сек) - (число Маха на виході з форсунки була 1 бООфутів/сек 1 4) Коли були включені чотири ЗОВНІШНІХ турбу(487,68м/сек), (число Маха 2) струмені лентних кисню Як газ для кумулятивного струменя викорис(Ю.ОООфут /годину/струмшь= 3 товувався азот Форсунка, розташована за віссю 3048м /годину/струмшь), показання повного напосписа, була сходжувально/розсіювальною із діару для струменя азоту суттєвим чином не зміниметром горловини 0,20 дюйма (0,50см) і діаметлись Кумулятивний струмінь азоту залишився ром вихідного отвору 0,26 дюйма (0,66см) Темп неушкодженим високою швидкістю захоплення проходження азоту через форсунку був 4,000 часток всередині чотирьох ЗОВНІШНІХ турбулентних струменів кисню фут /годину (1219,2м /годину) при нормальних Ці результати свідчать про те, що ключовим температурі і повітряному тиску і тиском всмокту2 для досягнення близькості проходження кумулявання форсунки 100 psig (70310кг/м отвору) тивного струменя близько до одного, або більше Швидкість струму на виході з форсунки була турбулентних струменів, є існування зазначеної 1700футів/сек (518,16м/сек) (Мах 2) оболонки полум'я за даним винаходом між кумуОболонка полум'я забезпечувалась внутрілятивним і турбулентним струменями За експешнім кільцевим зазором (ЗОВНІШНІЙ діаметр 0,555 риментальним прикладом, наведеним тут, один дюймів (1,41см) і внутрішній діаметр 0,375 дюймів кумулятивний азотний струмінь підтримувався в (0,95см)) природного газу і ЗОВНІШНІМ кільцевим КІЛЬЦІ чотирьох турбулентних кисневих струменів зазором (ЗОВНІШНІЙ діаметр 0,710 дюймів (1,80см) і Варто очікувати схожих результатів для двох або внутрішній діаметр 0,625 дюймів (1,58см)) кільцебільше кумулятивних струменів, оточених оболонвого кисню Дефлектор відводив вторинний кисень кою полум'я а також для кумулятивних струменів, всередину до головного струменя азоту, забезпез використанням інших газів, таких, як кисень, арчуючи таким чином найбільш ефективну оболонку гон, вуглекислий газ або природний газ полум'я Темп проходження природного газу і втоо о був 500фут /годину ринного кисню (152,4м /годину) для кожного Значення повного напору зчитували за віссю струменя на відстані 8 дюймів (20,32см) від форсунки Показання повного напору із проходженням тільки азоту (без природного газу, кільцевого кисню чи кисню у форсунках турбулентного струменя) складали 2 psig (1406,2кг/м2 отвору) Коли були включені природний газ і кільцевий кисень для забезпечення оболонки полум'я, повний напір кумулятивного струменя азоту складав 32 psig, (22499,2кг/м2 отвору), що відповідає швидкості Хоча винахід було описано із посиланням на певне, найбільш переважне втілення, спеціалісти в даній області визнають, що можливі ІНШІ втілення даного винаходу, не обмежуючи суті даної патентної заявки Наприклад, для створення оболонки полум'я, окислювач може подаватися з використанням внутрішнього кільця, а пальне може подаватися з використанням зовнішнього кільця, або для подання пального або окислювача можуть використовуватись більше одного засобів постачання ФІГ. 1 56333 10 ФІГ. 2 ФІГ З Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24