Способ создания кумулятивной струи и инжектор для создания кумулятивной струи с единственной кольцевой пламенной оболочкой
Изобретение относится к технологии использования кумулятивной струи. Способ создания, по меньшей мере, одной кумулятивной газовой струи включает: подачу, по меньшей мере, одной газовой струи из, по меньшей мере, одного сопла со сходящейся/расходящейся конфигурацией, размещенного в инжекторе, имеющем торцевую поверхность инжектора, причем торцевая поверхность инжектора снабжена отверстиями, расположенными вдоль окружности вокруг, по меньшей мере, одного сопла, причем указанная, по меньшей мере, одна газовая струя имеет сверхзвуковую скорость, когда она формируется при выходе из торцевой поверхности инжектора и остается сверхзвуковой на расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20d, где d - диаметр выходного отверстия указанного, по меньшей мере, одного сопла; подачу топлива из первой группы отверстий, расположенных вдоль окружности, и подачу окислителя из второй группы отверстий, расположенных вдоль окружности; сжигание топлива и окислителя, подаваемых из первой и второй групп отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности, для создания пламенной оболочки вокруг, по меньшей мере, одной газовой струи. Множество газовых струй подают из инжектора. Топливо и окислитель подают из первой группы отверстий и второй группы отверстий, соответственно, которые чередуются на окружности, вдоль которой они расположены. По меньшей мере, одну газовую струю и топливо и окислитель подают из инжектора непосредственно в пространство для инжекции без пропуска через зону рециркуляции, образованную удлинителем инжектора. По меньшей мере, одна газовая струя проходит на определенном расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20 d, где d - диаметр выходного отверстия сопла, из которого выходит газовая струя, сохраняя диаметр упомянутой газовой струи по существу постоянным. Изобретение позволяет создать устройство, посредством которого можно образовывать эффективные кумулятивные газовые струи без потребности в удлинителе инжектора или другом элементе для создания зоны рециркуляции для газов, подаваемых из инжектора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится в общем к технологии использования кумулятивной струи.
Недавние существенные достижения в области создания газовых горелок для резки основаны на развитии технологии применения кумулятивной струи, раскрытой, например, в патенте США №5814125, выданном на имя Андерсона и др., и в патенте США №6171544, выданном на имя Андерсона и др. При использовании этой технологии одну или большее число высокоскоростных газовых струй, выпускаемых из одного или более сопел инжектора, поддерживают в кумулятивном состоянии на относительно большом участке ее длины путем образования пламенной оболочки вокруг и вдоль высокоскоростной газовой струи (газовых струй). Пламенную оболочку создают путем сжигания горючего и окислителя, выпускаемых из двух групп отверстий, соответственно расположенных вдоль двух окружностей на инжекторе (внутренней окружности и наружной окружности), вокруг сопла (сопел), из которого (из которых) выпускают высокоскоростную газовую струю (струи). Обычно топливо для создания пламенной оболочки впрыскивают из отверстий, расположенных вдоль внутренней окружности, а окислитель для создания пламенной оболочки подают из отверстий, расположенных вдоль наружной окружности. Удлинитель, расположенный по периметру инжектора, образует защищенную зону рециркуляции, в которую подают высокоскоростную газовую струю (струи) из сопла (сопел) и струи жидкости, посредством которых создают пламенную оболочку пламени, из отверстий. В этой зоне рециркуляции обеспечивают некоторую рециркуляцию подаваемых потоков, создавая улучшенные условия для воспламенения и повышенную стабильность пламенной оболочки, таким образом улучшая кумулятивность, а следовательно, увеличивая длину высокоскоростной газовой струи (струй). Кумулятивная струя (струи) может быть использована для доставки газа в жидкость, например расплавленный металл, с относительно большого расстояния над поверхностью жидкости. Одно очень важное применение этой технологии использования кумулятивной струи - это продувка кислорода в процессах сталеварения, например, в дуговых электрических печах и кислородных конвертерах.
Использование удлинителя для рециркуляции, хотя и является усовершенствованием по сравнению с ранее известными системами применения кумулятивной струи, создает определенные проблемы, связанные с конструкцией инжектора и его сроком службы из-за необходимости водяного охлаждения удлинителя. Эти проблемы особенно существенны, когда систему кумулятивной струи используют в очень жестких условиях окружающей среды, например, в кислородном конвертере.
В соответствии с этим задачей настоящего изобретения является создание устройства, посредством которого можно образовывать эффективные кумулятивные газовые струи без потребности в удлинителе инжектора или другом элементе для создания зоны рециркуляции для газов, подаваемых из инжектора.
Указанную выше и другие задачи, которые станут очевидными для специалистов в данной области при ознакомлении с настоящим описанием, решают посредством настоящего изобретения, одним из аспектов которого является:
Способ создания, по меньшей мере, одной кумулятивной газовой струи, включающий:
(А) подачу, по меньшей мере, одной газовой струи из, по меньшей мере, одного сопла, размещенного в инжекторе, имеющем торцевую поверхность инжектора, причем торцевая поверхность инжектора снабжена отверстиями, расположенными вдоль окружности, размещенной вокруг, по меньшей мере, одного сопла;
(В) подачу топлива из первой группы отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности, и подачу окислителя из второй группы отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности;
(С) сжигание топлива и окислителя, подаваемых из первой и второй групп отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности, для создания пламенной оболочки вокруг, по меньшей мере, одной газовой струи.
Другим аспектом изобретения является:
Инжектор для создания кумулятивной струи, содержащий:
(А) инжектор, включающий торцевую поверхность инжектора и, по меньшей мере, одно сопло, имеющее отверстие в торцевой поверхности инжектора;
(В) группу отверстий, расположенных вдоль окружности на торцевой поверхности инжектора, размещенной вокруг отверстия (отверстий) сопла;
(С) средства для подачи топлива к первой группе отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности, и средства для подачи окислителя ко второй группе отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности.
Под термином «торцевая поверхность инжектора» здесь понимают поверхность инжектора, граничащую с пространством для инжекции.
Под термином «кумулятивная струя» здесь понимают газовую струю, образованную путем подачи газа из сопла, которая имеет скорость и мгновенный профиль вдоль длины, по меньшей мере, составляющей 20d, где d - диаметр выходного отверстия сопла, аналогичный скорости и мгновенному профилю струи на выходе ее из сопла.
Другой способ описания кумулятивной струи: это - газовая струя, диаметр которой мало изменяется или не изменяется вовсе на расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20d.
Под термином «длина», при использовании его по отношению к кумулятивной газовой струе, здесь понимают расстояние от сопла, из которого подают газ, до предназначенной для этого точки столкновения кумулятивной газовой струи или до того места, где газовая струя перестает быть кумулятивной.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 изображена торцевая поверхность одного предпочтительного варианта исполнения инжектора;
на Фиг.2 - разрез одного предпочтительного варианта исполнения инжектора, имеющего такую торцевую поверхность, которая может быть использована для осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.3 изображен вариант исполнения изобретения, представленный на Фиг.1 и 2, в действии, где одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые элементы.
Ниже изобретение описано подробно со ссылками на чертежи.
На Фиг.1-3 газ, показанный стрелкой 1, проходит через, по меньшей мере, одно сопло 2, предпочтительно сопло со сходящейся/расходящейся конфигурацией, и затем из инжектора 3 через сопловое отверстие или отверстия 4 на торцевой поверхности 6 инжектора для образования кумулятивной газовой струи или струй 5 в пространстве 7 для инжекции. Обычно скорость газовой струи (струй) 5 находится в пределах 213,4-914,4 м/с (700-3000 фут/с). Предпочтительно скорость газовой струи (струй) 5 является сверхзвуковой, когда она формируется при выходе из торцевой поверхности инжектора и остается сверхзвуковой на расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20d.
Хотя на чертежах показан вариант исполнения, в котором используют четыре кумулятивных газовых струи, подаваемых из инжектора через четыре сопла, соответственно, число газовых струй, подаваемых из инжектора через соответствующие сопла, на практике согласно настоящему изобретению может составлять от 1 до 6. Предпочтительно пространство для инжекции, в которое подают кумулятивные газовые струи, представляет собой печь для выплавки металла, например сталеплавильную печь. Наиболее предпочтительно, чтобы, когда используют множество сопел, каждое сопло было отклонено под некоторым углом одно относительно другого и в направлении от центральной оси инжектора.
В качестве газа для образования кумулятивной струи или струй согласно настоящему изобретению можно использовать любой эффективный газ. Среди таких газов можно назвать кислород, азот, аргон, углекислый газ, водород, гелий, пар и углеводород. Кроме того, в качестве газа согласно настоящему изобретению можно использовать смеси, содержащие два или большее число газов, например воздух.
Окружность 20, вдоль которой расположены отверстия, находится на торцевой поверхности инжектора вокруг отверстия сопла или сопел 4. Окружность 20 предпочтительно имеет диаметр в пределах 38,1-406,4 мм (1,5-16 дюймов). Обычно вдоль окружности 20 размещают от 12 до 48 отверстий. Каждое отверстие является предпочтительно круглым с диаметром в пределах 1,27-12,7 мм (0,05-0,5 дюйма). Наиболее предпочтительно, как показано на чертежах, чтобы отверстия, расположенные вдоль окружности, находились в углублении, или канавке, 21 на торцевой поверхности 6 инжектора. Обычно углубление 21 имеет глубину в пределах 1,27-50,8 мм (0,05-2,0 дюйма), а ширину - в пределах 1,27-12,7 мм (0,05-0,5 дюйма).
Топливо подают к первой группе отверстий 22 на окружности 20, а окислитель подают ко второй группе отверстий 23 на окружности 20. Предпочтительно, как показано на Фиг.1, чтобы первая группа отверстий 22 чередовалась со второй группой отверстий 23 вдоль окружности 20 так, чтобы около каждого отверстия 22 для подачи топлива было два отверстия 23, в которые подают окислитель, с каждой стороны от этого отверстия для подачи топлива, и около каждого отверстия 23 для подачи окислителя было два отверстия 22 для подачи топлива с каждой стороны этого отверстия для подачи окислителя. Топливо и окислитель подают из инжектора 3 через соответствующие отверстия в пространство 7 для инжекции. Скорость топлива и окислителя, подаваемых через отверстия, расположенные на окружности, может быть ниже скорости звука, но предпочтительно она равна скорости звука. При подаче топлива и окислителя со скоростью звука улучшается отделение инородных веществ от входа и уменьшается забивание отверстий, что особенно важно, когда изобретение используют в жестких условиях окружающей среды, например в сталеплавильных печах. Если желательно, то скорость подаваемого топлива и окислителя может быть сверхзвуковой и составлять более 1 и до 2 М.
Топливом, подаваемым из отверстий 22, предпочтительно является газообразное топливо, и может быть любым топливом, например, метаном или природным газом. Окислителем, подаваемым из отверстий 23, может быть воздух или воздух, обогащенный кислородом, с концентрацией кислорода, превышающей концентрацию кислорода в воздухе, или коммерчески поставляемым кислородом, в котором концентрация кислорода составляет, по меньшей мере, 90 мол.%. Предпочтительно, чтобы окислителем был газ с концентрацией кислорода, составляющей по меньшей мере 25 мол.%.
Топливо и окислитель, выходящие из инжектора, образуют газовую оболочку вокруг газовой струи (струй) 5, которая горит с образованием пламенной оболочки 24 вокруг газовой струи (струй) 5 в пространстве для инжекции, например печи для выплавки металла. Пламенная оболочка 24 вокруг газовых потоков 5 служит для предотвращения засасывания окружающего газа в газовые потоки, таким образом удерживая скорость газовых потоков от значительного снижения и сохраняя диаметр газовых потоков от существенного увеличения, по меньшей мере, на расстоянии, составляющем 20d от соответствующего выходного отверстия сопла. Это означает, что пламенная оболочка 24 служит для создания и поддержания газовых потоков 5 в виде кумулятивных струй на расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20d от соответствующего выходного отверстия сопла.
Существенное преимущество этого изобретения заключается в обеспечении возможности образования эффективных кумулятивных газовых струй с помощью инжектора без необходимости использования удлинителя инжектора. До настоящего времени удлинитель инжектора использовали для образования защищенной зоны рециркуляции рядом с торцевой поверхностью инжектора для улучшения воспламенения и горения газов для создания пламенной оболочки, которые подавали в эту защищенную зону рециркуляции, таким образом улучшая кумулятивность газовых струй. Хотя использование такого удлинителя инжектора является весьма существенным усовершенствованием в сравнении с ранее практиковавшимися решениями для образования кумулятивной газовой струи, возникают проблемы, связанные с использованием такого удлинителя. Согласно настоящему изобретению газы, подаваемые из инжектора, проходят прямо в пространство для инжекции без прохождения через защищенную зону, или зону рециркуляции, образуемую посредством удлинителя инжектора, но при этом все же достигают улучшения кумулятивности струи, наблюдаемого при использовании удлинителя инжектора.
Для оценки эффективности изобретения были проведены испытания с использованием ряда различных устройств со средствами для подачи газов для образования пламенной оболочки. В качестве топлива в испытаниях использовали природный газ, а в качестве окислителя в испытаниях использовали кислород с концентрацией 99 мол.% под называнием «вторичный» кислород. В каждом испытании использовали инжектор, содержавший четыре сопла для подачи газовых струй. В качестве газа для газовых струй использовали кислород, обладавший чистотой 99 мол.%, под называнием «основной» кислород. Результаты испытаний приведены ниже и представлены в качестве иллюстрации, а не в качестве ограничительных условий.
Испытания проводили для оценки эффективности изобретения и лучшего понимания роли расстояний между отверстиями для подачи природного газа и окислителя. Испытания проводили путем сохранения количества отверстий для образования пламенной оболочки постоянным и составлявшим всего 16 отверстий (8 - для природного газа и 8 - для окислителя), но при этом изменяли расстояния между отверстиями путем изменения диаметра окружности отверстий. Основной диаметр окружности, на которой располагали сопла, сохраняли постоянным. Определяли влияние кольцевых канавок на повышение стабильности пламени. Ниже относительную величину промежутка (ОВП) определяли как отношение величины промежутка (П) между отверстиями к сумме радиусов отверстий
ОВП=П/(Ro+Rт) (где Ro - радиус отверстия для подачи окислителя; Rт - радиус отверстия для подачи топлива). При каждом испытании топливо и окислитель подавали через чередующиеся отверстия, расположенные вдоль одного кольца отверстий вокруг сопел.
Конструкция инжекторов
Инжектор №1 содержал всего 16 отверстий. Диаметр окружности составлял 54 мм (2,125 дюйма). Относительная величина промежутка ОВП=0,67.
Инжектор №2 содержал всего 16 отверстий. Диаметр окружности составлял 82,55 мм (3,25 дюйма). Относительная величина промежутка ОВП=1,56.
Инжектор №3 содержал всего 16 отверстий. Диаметр окружности составлял 108 мм (4,25 дюйма). Относительная величина промежутка ОВП=2,34.
Условия:
Расход основного кислорода - 1133 Н м3/ч (40000 Н куб. фут./ч); давление при подаче - 11,6 кг/см2 (165 фунт/кв. дюйм).
Основные сопла - диаметр на выходе/диаметр горловины 9,65/6,60 мм (0,38/0,26 дюйма); угол отклонения наружу - 
Скорость природного газа - 204,2 м/с при расходе 141,6 нм3/ч (670 фут/с при расходе 5000 н куб. фут./ч);
Скорость вторичного кислорода - 97,5 м/с при расходе 113,3 нм3/ч (320 фут/с при расходе 4000 н куб. фут./ч).
Без удлинителя для рециркуляции.
Канавки: ширина - 7,14 мм (0,281 дюйм); глубина - 6,35 мм (0,25 дюйма).
Инжектор №1. При постоянном расходе природного газа 141,6 нм3/ч (5000 н куб. фут./ч) получали кумулятивные струи хорошего качества, обычно имевшие длину 508 мм (20 дюймов), что превышало длину струи при использовании обычного инжектора с отверстиями, расположенными вдоль двух окружностей. Пламя было стабильным в широком диапазоне условий. Эту конструкцию инжектора не испытывали с кольцевой канавкой.
Инжектор №2. Без канавки; длина кумулятивной струи несколько уменьшалась в сравнении со струей, создаваемой инжектором №1. Когда конструкцию инжектора дополняли канавкой, длина кумулятивной струи увеличивалась и превышала результат, полученный при испытаниях инжектора №1.
Инжектор №3. Без канавки; длина кумулятивной струи была существенно короче. Пламя, наблюдавшееся при работе в поднятом режиме, вызывало образование более короткой кумулятивной струи. Добавление канавки вызывало стабилизацию оболочки и приводило к полному восстановлению длины кумулятивной струи.
С целью обеспечения возможности исключения забивки отверстий, предназначенных для образования пламенной оболочки, при использовании инжектора в кислородном конвертере проводили испытания по определению возможности эксплуатации отверстий в условиях потока со звуковой скоростью. Проводили испытания нескольких конструкций инжекторов с отверстиями, расположенными вдоль одной окружности. Отверстия для природного газа и вторичного кислорода были таких размеров, чтобы они действовали при скорости 1 М при расходе природного газа и вторичного газа 141,6 и 113,3 нм3/ч (5000 и 4000 н куб. фут./ч), соответственно. Кольцевые канавки различной глубины были добавлены для стабилизации пламенной оболочки.
Конструкция инжекторов
Инжектор №4 содержал отверстия, расположенные вдоль одной окружности, при общем числе отверстий 32. Диаметр отверстий для подачи природного газа и вторичного кислорода составлял 2,54 мм (0,10 дюйма). Диаметр окружности составлял 50,8 мм (2,0 дюйма), а относительная величина промежутка ОВП - 0,96 дюйма.
Инжектор №5 содержал отверстия, расположенные вдоль одной окружности, при общем числе отверстий 24. Диаметр отверстий для подачи природного газа и вторичного кислорода составлял 2,92 мм (0,115 дюйма). Диаметр окружности составлял 50,8 мм (2,0 дюйма), а относительная величина промежутка ОВП - 1,28 дюйма.
Инжектор №6 содержал отверстия, расположенные вдоль одной окружности, при общем числе отверстий 16. Диаметр отверстий для подачи природного газа и вторичного кислорода составлял 3,58 мм (0,141 дюйма). Диаметр окружности составлял 50,8 мм (2,0 дюйма), а относительная величина промежутка ОВП - 1,79 дюйма.
Инжектор №7 содержал отверстия, расположенные вдоль одной окружности, при общем числе отверстий 32. Диаметр отверстий для подачи природного газа и вторичного кислорода составлял 2,5 мм (0,10 дюйма). Диаметр окружности составлял 69,85 мм (2,75 дюйма), а относительная величина промежутка ОВП - 1,70 дюйма.
Условия
- Расход основного кислорода - 1133 нм3/ч (40000 н куб. фут./ч); [давление при подаче - 11,6 кг/см2 (165 фунт/кв. дюйм)].
- Сопла имели диаметр на выходе/диаметр горловины - 9,65/6,60 мм (0,38/0,26 дюйма); угол отклонения наружу -
- Скорость природного газа - 415,74 м/с-1 М (1364 фут./с) при расходе 141,6 нм3/ч (@ 5000 н куб. фут./ч).
- Скорость вторичного кислорода - 299,3 м/с-1 М (982 фут./с) при расходе 113,3 нм3/ч (@ 4000 н куб. фут./ч).
- Удлинитель отсутствовал.
- Размеры канавки (ширину и глубину) варьировали.
Инжектор №4. Без канавки; длина кумулятивной струи была небольшой, что являлось результатом отделения пламенной оболочки. Кумулятивные струи хорошего качества получали при использовании канавок с размерами по ширине и глубине: 1,25D×1,25D и 1,25D×2D, где D - диаметр отверстия.
Инжектор №5. Без канавки; инжектор было сложно зажечь (нестабильность). Кумулятивные струи хорошего качества получали при использовании канавок с размерами по ширине и глубине: 1D×1D; 1D×1,5D и 1D×2D.
Инжектор №6. Без канавки; инжектор было очень сложно зажечь; длины кумулятивных струй по существу соответствовали длинам при отсутствии пламенной оболочки. При наличии канавки горение оболочки стабилизировалось; однако получали относительно слабо кумулятивные струи, даже при достаточно глубокой канавке 1D×2D.
Инжектор №7. Без канавки; получали слабо кумулятивные струи. Кумулятивные струи хорошего качества получали при размерах канавки 1,25D×1,25D.
Хотя изобретение подробно описано со ссылками на определенные предпочтительные варианты исполнения, специалистам в данной области должно быть понятно, что возможно множество других вариантов исполнения изобретения, соответствующих существу и объему формулы изобретения.
1. Способ создания, по меньшей мере, одной кумулятивной газовой струи, включающий
(A) подачу, по меньшей мере, одной газовой струи из, по меньшей мере, одного сопла со сходящейся/расходящейся конфигурацией, размещенного в инжекторе, имеющем торцевую поверхность инжектора, причем торцевая поверхность инжектора снабжена отверстиями, расположенными вдоль окружности вокруг, по меньшей мере, одного сопла, причем указанная, по меньшей мере, одна газовая струя имеет сверхзвуковую скорость, когда она формируется при выходе из торцевой поверхности инжектора и остается сверхзвуковой на расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20d, где d - диаметр выходного отверстия указанного, по меньшей мере, одного сопла;
(B) подачу топлива из первой группы отверстий, расположенных вдоль окружности, и подачу окислителя из второй группы отверстий, расположенных вдоль окружности;
(C) сжигание топлива и окислителя, подаваемых из первой и второй групп отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности, для создания пламенной оболочки вокруг, по меньшей мере, одной газовой струи.
2. Способ по п.1, в котором множество газовых струй подают из инжектора.
3. Способ по п.1, в котором топливо и окислитель подают из первой группы отверстий и второй группы отверстий соответственно, которые чередуются на окружности, вдоль которой они расположены.
4. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, одну газовую струю и топливо и окислитель подают из инжектора непосредственно в пространство для инжекции без пропуска через зону рециркуляции, образованную удлинителем инжектора.
5. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, одна газовая струя проходит на определенном расстоянии, составляющем, по меньшей мере, 20 d, где d - диаметр выходного отверстия сопла, из которого выходит газовая струя, сохраняя диаметр упомянутой газовой струи по существу постоянным.
6. Инжектор для создания кумулятивной струи, содержащий
(A) инжектор, включающий торцевую поверхность инжектора и, по меньшей мере, одно сопло со сходящейся/расходящейся конфигурацией, имеющее отверстие в торцевой поверхности инжектора;
(B) группу отверстий, расположенных вдоль окружности на торцевой поверхности инжектора вокруг отверстия (отверстий) сопла;
(C) средства для подачи топлива к первой группе отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности, и средства для подачи окислителя ко второй группе отверстий, расположенных вдоль упомянутой окружности.
7. Инжектор для создания кумулятивной струи по п.6, содержащий множество сопел.
8. Инжектор для создания кумулятивной струи по п.6, в котором отверстия, располагаемые вдоль окружности, выполнены в углублении на торцевой поверхности инжектора.
9. Инжектор для создания кумулятивной струи по п.6, в котором первая группа отверстий чередуется со второй группой отверстий.
