DE69116837T2

DE69116837T2 - Flüssigkeitsbrenner

Info

Publication number: DE69116837T2
Application number: DE69116837T
Authority: DE
Inventors: John Erlin Anderson; William Joseph Snyder
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1991-12-16
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2011-12-17
Also published as: KR970001467B1; MX9102589A; EP0491325A3; JP2651969B2; ES2082915T3; CA2057742C; EP0491325B1; JPH04273904A; BR9105479A; US5110285A; EP0491325A2; PT99823A; DE69116837D1; MX174009B; KR920012806A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Düsen für die Injektion von Fluid in eine Verbrennungszone, und insbesondere bezieht sie sich auf Brenner oder Lanzen zum Injizieren von Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone.

Stand der Technik

Ein herkömmlicher Brenner, der verwendet wird, um für Hitze beispielsweise in einem Ofen zu sorgen, wird in einer Ofenwand fest an Ort und Stelle gehalten und richtet die Flammen oder die Verbrennungsreaktion, die aus dem Brenner austritt, auf eine feste Stelle in der Verbrennungszone innerhalb des Ofens. Viele Brenner weisen Steueranordnungen zum Ändern der Form der Flamme von beispielsweise einer langen dünnen Flamme zu einer kurzen buschigen Flamme auf, um die Wärmezuführ durch den Brenner an den durch die Ofenbeschickung erforderlichen Bedarf besser anzupassen. Jedoch ist es manchmal nötig oder wünschenswert, die Richtung der Brennerflamme zu verändern. Beispielsweise ist es beim Schmelzen von Metallschrott wünschenswert, die Richtung der Flamme zu verändern, um Wärme direkt dem nicht geschmolzenen Schrott zuzuflihren, anstatt auf Leitungs- und Konvektionsströme zu warten, um dem nicht geschmolzenen Schrott Wärnie aus dem Bereich innerhalb der Verbrennungszone zuzuführen, aufweichen die Flamme gerichtet ist.
Eine Möglichkeit des Anderns der Flammenrichtung eines Brenners besteht darin, Richtungsdüsen in einem Brenner zu verwenden und die Düsen zu verändern, wenn eine neue Flammenrichtung gewünscht wird. Dieses Verfahren ist nachteilig, da der Brenner jedesmal abgeschaltet und gekühlt werden muß, wenn eine Anderung der Flammenrichtung erforderlich ist. Ferner verlangt dieses Verfahren die Aufrechterhaltung eines Bestands an Richtungsdüsen. Eine andere Möglichkeit zum Verändern der Flammenrichtung eines Brenners besteht darin, die Stellung des Brenners von Hand entweder direkt oder mittels eines mechanischen Justier- Systems einzustellen. Die direkte manuelle Einstellung eines Brenners ist gefährlich und mechanische Justiersysteme sind kompliziert und neigen dazu, unter den harten Umgebungsbedingungen eines industriellen Ofens zu versagen. Ferner können Platzbeschränkungen um einen industriellen Ofen herum die Ausgestaltung eines mechanischen Justiersystems ausschließen.
US-A-3 876 362 offenbart ein System, welches die NOx-Erzeugungsrate bei der Verbrennung verringern soll, wobei senkrecht aufgebrachtes Vorspannfluid in einen Brennerstrom stromab eines zylindrischen Auslaßbereichs einer Brennerkacheistruktur, d.h. eines Auslaßbereichs, dessen Innenwand koaxial zu der Achse des Brenners ist, eingebracht wird, um den Fluidstrom mittels des COANDA-Effekts vorzuspannen. Es wird darauf hingewiesen, daß der Fluidstrom eine Geschwindigkeit nahe oder gleich der Schallgeschwindigkeit aufweisen kann. Es ist deshalb ein System wünschenswert, welches es auf einfache und effektive Weise erlaubt, die Stromrichtung eines Fluids zu verändern, welches von einer Düse in eine Verbrennungszone geleitet wird, wie beispielsweise ein Oxidationsmittel, welches von einer Brenner- oder Lanzendüse in eine Verbrennungszone geleitet wird.
Wenn das Fluid ein Hochgeschwindigkeitsfluid ist, wie beispielsweise ein Hochgeschwindigkeitsoxidationsmittel, welches in einem Sauerstoffbrenner verwendet werden kann, ist die gewünschte Richtungsänderung unter Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebs viel schwieriger zu bewerkstelligen. Folglich ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche es erlaubt, Hochgeschwindigkeitsfluid in eine Verbrennungszone zu injizieren und die Richtung auf einfache Weise zu verändern, in welcher das Fluid in die Verbrennungszone injiziert wird. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, um die Stromrichtung eines Hochgeschwindigkeitsfluids, welches in eine Verbrennungszone injiziert wird, auf einfache Weise zu verändern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, welche sich für den Fachmann aus dieser Offenbarung ergeben, werden mit Hilfe der vorliegenden Erfindung gelöst, welche allgemein die definierte Anwendung von Fluiden zur Steuerung der Stromrichtung eines Hochgeschwindigkeitsfluidstrahls umfaßt, welcher durch eine Düse in eine Verbrennungszone geleitet wird.
Insbesondere besteht ein Aspekt der Erfindung in einer Vorrichtung zum Andern der Strömungsrichtung eines in eine Verbrennungszone injizierten Fluidstromes hoher Geschwindigkeit mit:
(A) einem Fluidhohlraum mit einem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich, der stromab mit einem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich in Verbindung steht und der an der Verbindungsstelle einen Durchmesser D hat, der dafür ausreicht, daß hindurchtretendes Fluid eine Überschallgeschwindigkeit haben kann, wobei der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich eine Länge von 3 D bis 9 D hat, um benachbart einem Teil der Oberfläche des Fluidhohlraums eine Zone von vermindertem Druck auszubilden; und
(B) einer Anordnung zum Einbringen von Vorspannfluid in den Fluidhohlraum in einer zu der axialen Mittellinie des Fluidhohlraumes im wesentlichen senkrechten Richtung, wobei diese Anordnung einen Durchmesser d hat, der so gewählt ist, daß d/D im Bereich von 0,18 bis 0,75 liegt, wobei die Anordnung zum Einbringen von Vorspannfluid mit dem Fluidhohlraum an einer Stelle in Verbindung steht, die im Bereich von 3 d/4 stromaufwärts bis d/4 stromabwärts von der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich liegt, wobei D und d in den gleichen Einheiten gemessen sind.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung besteht in einem Verfahren zum Andern der Strömungsrichtung eines in eine Verbrennungszone injizierten Fluidstromes hoher Geschwindigkeit, bei dem:
(A) für einen Strom von Hauptfluid durch einen Fluidhohlraum mit einem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich mit einem Durchmesser D gesorgt wird, der stromab mit einem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich in Verbindung steht, wobei das Hauptfluid durch den beschränkten Strömungsquerschnittsbereich mit einer Überschallgeschwindigkeit und durch den erweiterten Strömungsquerschnittsbereich über eine Länge von 3 D bis 9 D unter Ausbildung einer Zone von vermindertem Druck benachbart einem Teil der Oberfläche des Fluidhohlraums strömt;
(B) ein Vorspannfluidstrom mit einem Durchmesser d in den Fluidhohlraum im Bereich der Zone von vermindertem Druck in einer zu der Strömungsrichtung des durch den beschränkten Querschnittsbereich hindurchtretenden Hauptfluids an einer Stelle injiziert wird, die im Bereich von 3 d/4 stromaulwärts bis d/4 stromabwärts von der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich liegt, wobei D und d in den gleichen Einheiten gemessen sind; und
(C) die Strömungsrichtung des Hauptfluids geändert wird.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Verbrennungszone" das Volumen, in welches Fluid von dem Auslaß des Fluidhohlraums geleitet wird.
Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff "im wesentlichen senkrecht" innerhalb von plus oder minus 15 Grad.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht, teilweise im Querschnitt gesehen, eines Brennersystems, welches in einem Ofen installiert ist, welcher in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 2A ist eine Veranschaulichung eines Brenners oder einer Lanze, durch welchen bzw. welche Fluid in eine Verbrennungszone ohne Richtungsänderung injiziert wird.
Fig. 2B ist eine Veranschaulichung eines Brenners oder einer Lanze, wobei die Stromrichtung des Fluids mittels der Verwendung der Erfindung verändert wird.
Fig. 2C ist eine weitere Veranschaulichung eines Brenners oder einer Lanze, wobei die Stromrichtung des Fluids mittels der Verwendung der Erfindung verändert wird.
Fig. 3A ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung. Fig. 3B ist eine Querschnitt sansicht der in Fig. 3A veranschaulichten Vorrichtung.
Fig. 4A ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung.
Fig. 4B ist eine Querschnittsansicht der in Fig. 4A veranschaulichten Vorrichtung.
Fig. 5A ist eine Aufsicht auf eine Brennerdüse mit einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung.
Fig. 5B ist eine Querschnittsansicht der in Fig. 5A veranschaulichten Brennerdüse.
Fig. 5C ist ein Schnitt entlang der Linie A-A der in Fig. 5A veranschaulichten Brennerdüse.

Detaillierte Beschreibung

Diese Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Ein Brenner ist eine Vorrichtung, durch weiche sowohl Brennstoff als auch Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone eingebracht werden, und eine Lanze ist eine Vorrichtung, durch welche nur entweder Brennstoff oder Oxidationsmittel in die Verbrennungszone eingebracht wird. Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn sie mit Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennern oder -lanzen verwendet wird. Zwei neuere wesentliche Fortschritte auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrenner sind in US-A-4 541 796 - Anderson und US-A-4 907 961 - Anderson beschrieben und beansprucht.
Unter Bezugnahme auf Fig. list ein Brenner 1 innerhalb einer Ofenwand 2 installiert und dient dazu, Brennstoff und Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone 3 einzubringen. Brennstoff 11 wird mittels einer Durchlaßanordnung 4 dem Brenner 1 zugeführt und durch diesen hindurchgeleitet, und Oxidationsmittel 12 wird mittels einer Durchlaßanordnung 5 dem Brenner 1 zugeführt und durch diesen hindurchgeleitet. Der Brennstoff kann jegliches brennbares Fluid sein. Das Oxidationsmittel kann jegliche Sauerstoffkonzentration zwischen derjenigen von Luft und derjenigen von technisch reinem Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5 Prozent oder mehr aufweisen. Die Erfindung ist besonders nützlich mit einem Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Prozent.
Vorspannfluid 6 wird dem Brenner 1 durch Zufuhrleitungen 7 und 8 zugeführt und durch diesen hindurchgeleitet, und es wird in eine Fluidbrennerdüse 9 eingeleitet, welche später detaillierter beschrieben wird. Vorspannfluid wird mittels Betätigung eines Schaltventils 10 entweder der Zuführleitung 7 oder der Zuführleitung 8 zugeführt oder es wird vollständig abgeschaltet. Daß Vorspannfluid 6 ist vorzugsweise das gleiche Fluid wie das vorgespannte Fluid, welches im Fall eines Brenners entweder der Brennstoff oder das Hauptoxidationsmittel ist. Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Beispiel ist das vorgespannte Fluid das Oxidationsmittel 12, welches dem Brenner 1 über die Durchlaßanordnung 5 zugeführt wird.
Unter Bezugnahme auf die Fign. 2A, 2B und 2C, in welchen die Bezugszeichen für die gemeinsamen Elemente die gleichen sind, wird ein Fluid durch Brenner oder Lanze 20 hindurchgeleitet, welches über Düse 22 in eine Verbrennungszone 21 injiziert wird. Vorspannfluid kann entweder durch eine Zufuhrleitung 23 oder eine Zufuhrleitung 24 durch Brenner oder Lanze 20 der Düse 22 zugeführt werden. In Fig. 2A ist der Fall veranschaulicht, in welchem kein Vorspannfluid der Düse 22 zugeführt wird. In diesem Fall wird ein Fluid 25 in die Verbrennungszone 21 ohne Änderung seiner Stromrichtung, d.h. axial zu dem Brenner oder der Lanze 20 ausgerichtet, injiziert. In Fig. 2B ist der Fall veranschaulicht, in welchem Vorspannfluid 26 mittels der Zuführleitung 24 der Düse 22 zugeführt wird. In diesem Fall wird die Richtung des Fluids 25, wie es der Verbrennungszone 21 zugeführt wird, mittels der Wirkung des Vorspannfluids 26 innerhalb der Düse 22 zu derjenigen Richtung, wie sie in Fig. 2B veranschaulicht ist, verändert. In Fig. 2C ist der Fall veranschaulicht, in welchem Vorspannfluid 27 mittels der Zuführleitung 23 der Düse 22 zugeführt wird. In diesem Fall wird die Richtung des Arbeitsfluids 25, wie es der Verbrennungszone 21 zugeführt wird, mittels der Wirkung des Vorspannfluids 27 innerhalb der Düse 22 zu derjenigen Richtung verändert, wie sie in Fig. 2C veranschaulicht ist.
Die übrigen Figuren veranschaulichen das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung detaillierter
In den Fign. 3A und 3B sind die Bezugszeichen für die gemeinsamen Elemente die selben. Unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B weist eine Düse 30 einen Fluidhohlraum mit einem Einlaß 36 und einem Auslaß 34 auf. Der Fluidhohlraum weist einen erweiterten Strömungsquerschnittsbereich 31 mit einer konischen Fläche auf, die einen sich nach außen erweiternden Strömungsquerschnittsbereich festlegt, welcher in Verbindung mit dem Auslaß 34 steht, sowie einen beschränkten Strömungsquerschnittsbereich 38, welcher mit dem Einlaß 36 in Verbindung steht.. Der Auslaß 34 steht in Verbindung mit einer Verbrennungszone 35, und der Einlaß 36 steht in Verbindung mit einer Fluidzufuhranordnung 37, welche Fluid, z.B. Oxidationsmittel, in den Fluidhohlraum einbringt. Der beschränkte Strömungsquerschnittsbereich weist einen Durchmesser D an der Stelle auf, an welcher er mit dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich in Verbindung steht. Allgemein liegt D im Bereich von 3,175 bis 38,1 mm (0,125 bis 1,5 inches) und typischerweise liegt D im Bereich von 3,175 bis 25,4 mm (0,125 bis 1,0 inch); jedoch hängt der Durchmesser D von der Befeuerungsrate ab. Das Fluid wird von der Fluidzufuhranordnung in den Fluidhohlraum eingebracht und es wird durch den beschränkten Strömungsquerschnittsbereich mit einer hohen Geschwindigkeit, allgemein mit einer Geschwindigkeit von mindestens 152,4 Meter pro Sekunde (500 Fuß pro Sekunde) und vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit oder mehr bis zu 518,2 Meter pro Sekunde (1700 Fuß pro Sekunde) oder mehr in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit des verwendeten Fluids hindurchgeleitet. Bei Geschwindigkeiten größer als der Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit die offensichtliche Strahlgeschwindigkeit, welche als die Volumendurchflußrate bei Umgebungsdruck, die eine Öffnung verläßt, dividiert durch die Querschnittsfläche der Öffnung definiert ist. Das Hochgeschwindigkeitsfluid wird in den Fluidhohlraum und durch diesen hindurch in eine Zone mit verringertem Druck benachbart zu der Fläche des beschränkten Bereichs 38 eingebracht.
Vorspannfluid wird durch eine oder mehrere Vorspannfluidzufuhranordnungen dem Fluidhohlraum zugeführt. Die Fign. 3A und 3B veranschaulichen eine Ausführungsform mit zwei mit 60 und 61 bezeichneten Vorspannfluidzufuhranordnungen. Typischerweise verwendet die Erfindung mindestens zwei Vorspannfluidzufuhranordnungen oder Injektionsstellen, und gewöhnlich liegt die Anzahl im Bereich von 2 bis 8. Die Vorspannfluidzufuhranordnungen sind so ausgerichtet, daß sie Vorspannfluid dem Fluidhohlraum in einer Zone mit verringertem Druck und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Stromrichtung des durch den beschränkten Strömungsquerschnittsbereich hindurchgeleiteten Fluids zuzuführen, d.h. im wesentlichen senkrecht zu der axialen Mittellinie 39 des Fluidhohlraums.
Die Vorspannfluidzufuhranordnung weist einen Durchmesser d an der Stelle auf, an welcher sie mit dem Fluidhohlraum in Verbindung steht, so daß das Verhältnis d/D im Bereich von 0,18 bis 0,75, vorzugsweise von 0,18 bis 0,25, liegt. Typischerweise liegt d im Bereich von 2,54 bis 3,81 mm (0,10 bis 0,15 inch). Es versteht sich, daß es in einigen Fällen bevorzugt sein kann, daß die Form des Querschnitts der Vorspannfluidzufuhranordnung oder der Verbindungsstelle zwischen den beschränkten und erweiterten Strömungsquerschnittsbereichen nicht-kreisförmig ist. Beispielsweise kann die Querschnittsform elliptisch sein oder die Form eines rechteckigen Schlitzes haben. In solchen Fällen ist der Durchmesser D und/oder d die kleinere der die Öffnung festlegenden Abmessungen.
Die Vorspannfluidzufuhranordnung steht mit dem Fluidhohlraum so in Verbindung, daß ihr Zentrum an einer Stelle innerhalb des Bereichs von 3d/4 stromaufwärts bis d/4 stromabwärts der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Ströniungsquerschnittsbereich liegt. Vorzugsweise liegt dieser Bereich im Bereich von d/2 stromabwärts der Verbindungsstelle bis zu der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich. Vorzugsweise steht die Vorspannfluidzufuhranordnung mit dem Fluidhohlraum an einer Stelle etwa d/2 stromaulwärts von dieser Verbindungsstelle in Verbindung. Bei der in den Fign. 3A und 3B veranschaulichten Ausführungsform stehen die Vorspannfluidzufuhranordnungen 60 und 61 mit dem Fluidhohlraum an der Stelle d/2 stromaufwärts von der Stelle in Verbindung, an welcher der beschränkte Strömungsquerschnittsbereich mit dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich in Verbindung steht.
Beim Betrieb wird Fluid durch die Fluidzufuhranordnung 37 in den Fluidhohlraum des beschränkten Strömungsquerschnittsbereich 38 eingebracht. Wenn kein Vorspannfluid zugeführt wird, gelangt das Fluid ohne Richtungsänderung durch den Fluidhohlraum und in die Verbrennungszone 35. Wenn jedoch Vorspannfluid beispielsweise durch die Vorspannfluidzufuhranordnung 60 an der Zone mit verringertem Druck in den Fluidhohlraum eingebracht wird, bewirkt dies, daß das Arbeitsfluid seine Strömungsrichtung verändert und in die Verbrennungszone 35 in einer Richtung, wie sie beispielsweise mittels des Pfeils 62 bezeichnet ist, gelangt. Dieser Vorspannfluidstrom bewirkt eine Ablenkung des Fluidstroms und bewirkt, daß sich der freie Fluidstrahl selbst an der Wand des Fluidhohlraums anlegt, welche der Stelle, an welcher das Vorspannfluid in das Fluid gerichtet wird, gegenüberliegt Diese Richtungsänderung gründet auf einem Druckunterschied, der von der asymmetrischen Ahsaugung von Fluid in den Fluidstromstrahl aufgrund seiner Nähe zu der Wand verursacht wird. Ein nicht behinderter freier Strahl reißt das ihn umgebende Gas gleichförmig mit und erweitert sich symmetnsch um seine Achse. Wenn er jedoch benachbart zu einer Wand angeordnet wird, wird das Mitreißen des ihn umgebenden Gases durch das Vorhandensein der Wand begrenzt. Dies erzeugt einen Bereich mit niedrigem Druck zwischen dem Strahl und der Wand, welcher dazu dient, den Fluidstrom so zu verlagern, daß seine Richtung der Richtung der Wand entspricht. Allgemein beträgt der Druckunterschied über dem Fluidstrahl für eine effektive Richtungsänderung etwa 6,89 kpa (1 Pfund pro Quadratinch (psi)) oder mehr.
Der Fluidstrom kann mittels Veränderung des Vorspannfluidstroms in eine andere Richtung umgeschaltet werden. Beispielsweise kann das durch die Anordnung 60 zugeführte Vorspannfluid gestoppt werden, und Vorspannfluid kann durch die Anordnung 61 zugeführt werden. Dies bewirkt, daß das Fluid in einer Richtung, wie beispielsweise durch den Pfeil 63 bezeichnet, in die Verbrennungszone 35 gelangt. Wenn die richtige Menge an Vorspannfluid zugeführt wird, wirkt es so, daß es das Vakuum zwischen dem Hauptfluidstrahl und der Wand, an welcher er anliegt, aufbricht und folglich den von der Wand erzeugten Druckunterschied eliminiert. Ein fortgesetztes Strömen des Vorspanngases bewirkt einen leichten Druckanstieg auf dieser Seite des Strahls und bewirkt, daß er gegen die gegenüberliegende Wand abgelenkt wird und sich dort selbst in der oben beschriebenen Weise anlegt.
Auf diese Weise kann die Stromrichtung des in eine Verbrennungszone strömenden Fluids geändert werden, ohne daß eine Einstellung des Brenners oder der Lanze oder eine Veränderung der Düse nötig ware. Die Strömungsrichtung kann zwischen so vielen Positionen geändert werden, wie Vorspannfluidzufuhranordnungen vorhanden sind. In einem Brenner oder einer Lanze reißt das Hochgeschwindigkeitsfluid, wie beispielsweise Oxidationsmittel, beim Austritt aus dem Fluidhohlraum, wie beispielsweise in einer mittels der Pfeile 62 oder 63 bezeichneten Richtung, auf effektive Weise Brennstoff mit, welcher durch den Brenner der Verbrennungszone zugeführt wird oder sonst in der Verbrennungszone vorhanden ist. Auf diese Weise strömen der Brennstoff und Oxidationsmittel trotz der Richtungsänderung des Oxidationsmittels in der gleichen Richtung, und ihr Durchmischen während des Mitreißens ermöglicht den Ablauf einer stabilisierten Verbrennung. Die Verbrennung wird entweder mittels einer geeigneten Zündvorrichtung oder mittels einer andauernden Verbrennung in der Verbrennungszone gezündet.
Die Verwendung von Fluiden zur Veränderung der Strömungsrichtung eines Fluids ist bekannt, wurde jedoch bisher nicht auf effektive Weise zur Anderung der Strömungsrichtung von Hochgeschwindigkeitsfluid eines Brenners oder einer Lanze verwendet. Ohne Festlegung auf eine Theorie nimmt der Patentinhaber an, daß die erfolgreiche Richtungsänderung von Hochgeschwindigkeitsfluid auf der Injektion von Vorspannfluid in den Hauptfluidstrom an einer Stelle weiter stromaufwärts als in der herkömmlichen Fluidpraxis gründet. In der herkömmlichen Fluidpraxis wird Vorspannfluid beträchtlich stromabwärts von der Stelle, an welcher der Fluidhohlraum beginnt sich zu erweitern, in den Hauptstrom eingeleitet. Bei der Praxis dieser Erfindung wird Vorspannfluid an oder stromaufwärts der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Strömungsquerschnitts bereich, oder nur eine kleine Distanz stromabwärts zu dieser Stelle, in den Hauptfluidstrom injiziert. Der Patentinhaber nimmt an, daß bei einem Hochgeschwindigkeitshauptfluidstrom der radiale Abstand zwischen dem Strahl und der Hohlraumwand sehr kurz nach der Stelle, an welcher der Hohlraum beginnt sich zu erweitern, zu groß wird, um es zu ermöglichen, daß Vorspannfluid eine Richtungsveränderung ohne gleichzeitige Instabilität oder ohne Verwendung einer großen Menge von Fluid als das Vorspannfluid bewirkt.
Im allgemeinen und vorzugsweise sind sowohl das Hauptfluid als auch das Vorspannfluid gasförmig Allgemein wird das Vorspannfluid bei einer Durchflußrate von zwischen 0,5 und 3 Prozent der Durchflußrate des Hauptfluids in den Fluidhohlraum eingebracht. Die Geschwindigkeit des Hauptfluids kann ziemlich hoch sein, während immer noch ein effektives Umschalten erzielt wird. Ein effektives Umschalten wurde mit Sauerstoff als ein Hauptfluid mit einer offensichtlichen Geschwindigkeit von 518,2 Meter pro Sekunde (1700 Fuß pro Sekunde (fps)) durch den beschränkten Strömungsquerschnittsbereich erzielt.
Um eine effektive Richtungsänderung zu erzielen, muß die Länge des erweiterten Strömungsquerschnittsbereichs des Fluidhohlraums von der Verbindungsstelle mit dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich bis zu dem Auslaß hinreichend sein, um den erforderlichen Druckunterschied zu erzielen. Während die minimale effektive Länge in Abhängigkeit von Geschwindigkeits- und Konfigurationsfaktoren variiert, stellte sich heraus, daß eine Hohlraumlänge des erweiterten Strömungsquerschnittsbereichs von mindestens 3D hinreichend ist, um den erforderlichen Druckunterschied zu erzeugen, und diese Länge liegt im Bereich von 3D bis 9D. Diese Länge ist als Länge L in Fig. 3B definiert.
Die Erfindung weist eine erhöhte Effektivität auf, wenn der Winkel zwischen der Wand des erweiterten Strömungsquerschnittsbereichs des Fluidhohlraums und der axialen Mittellinie des Fluidhohlraums im Bereich von 10 bis 30 Grad liegt. Wenn die Wand des erweiterten Strömungsquerschnittsbereichs Oberflächen aufweist, welche mehr als einen Winkel mit der axialen Mittellinie bilden, ist der relevante Winkel, auf den oben Bezug genommen wurde, der Anfangswinkel.
In die Fign. 4A und 4B sind die Bezugszeichen für die gemeinsamen Elemente die selben. Unter Bezugnahme auf die Fign. 4A und 4B weist eine Düse 40 einen Fluidhohlraum mit einem Einlaß 46 und einem Auslaß 44 auf. Der Fluidhohlraum weist einen erweiterten Strömungsquerschnittsbereich 41 mit einer gekrümmten Oberfläche auf, welche mit dem Auslaß 44 in Verbindung steht, sowie einen beschränkten Strömungsquerschnittsbereich 48, welcher mit dem Einlaß 46 in Verbindung steht. Der Auslaß 44 steht in Verbindung mit einer Verbrennungszone 45, und der Einlaß 46 steht in Verbindung mit einer Fluidzufuhranordnung 47, welche Hauptfluid dem Fluidhohlraum zwecks Durchstrom durch den beschränkten Strömungsquerschnittsbereich bei einer hohen Geschwindigkeit zuführt. Der beschränkte Strömungsquerschnittsbereich 48 steht in Verbindung mit dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich 41 an der Stelle stromabwärts des beschränkten Strömungsquerschnittsbereichs 48, an welcher der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich 41 beginnt sich zu erweitern. Das Hochgeschwindigkeitsfluid erzeugt mittels des Trägheitseffekts eine Zone mit niedrigem oder verringertem Druck nahe den Wänden, wenn es von dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich 48 in den erweiterten Strömungsquerschnittsbereich 41 eintritt. Vorspannfluid wird entweder durch eine Vorspannfluidzufuhranordnung 70 oder 71 dem Fluidhohlraum zugeführt. Wie ersichtlich ist, wird bei der in den Fign. 4A und 4B veranschaulichten Ausführungsform das Vorspannfluid bei dem Übergang von deni beschränkten Strömungsquerschnittsbereich zu dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich in den Fluidhohlraum eingebracht, wogegen bei der in Fig. 3A und 3B veranschaulichten Ausführungsform das Vorspannfluid stromaufwärts von dieser Übergahgsstelle in den Fluidhohlraum eingebracht wird. Wenn der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich eine gekrümmte Obertläche aufweist, wie es beispielsweise in Fig. 4A und 48 veranschaulicht ist, steht die Vorspannfluidzufuhranordnung mit dem Fluidhohlraum an einer Stelle in Verbindung, an welcher der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich einen Winkel von 5 Grad mit der Mittellinie des Fluidhohlraums bildet.
Die Erfindung umfaßt das Zuführen von Vorspannfluid im wesentlichen senkrecht zu der axialen Mittellinie eines Fluidhohlraums in eine Zone mit verringertem Druck im allgemeinen an oder stromaufwärtss von der Übergangsstelle, uni die Strömungsrichtung von durch einen Fluidhohlraum geleitetem Hochgeschwindigkeitsfluid auf effektive Weise zu verändern. Der beschränkte Strömungsquerschnittsbereich unterstützt die Erzielung der hohen Geschwindigkeit des Fluids, was wiederum die Ausbildung der Zone mit verringertem Druck bewirkt. Allgemein wird das Vorspannfluid an oder stromaufwärts der Ubergangsstelle, an welcher der beschränkte Strömungsquerschnittsbereich mit dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich in Verbindung steht, in den Fluidhohlraum eingebracht. Diese Einbringungsstelle, im Gegensatz zu einer weiter stromabwärts liegenden Stelle, ermöglicht eine effizientere Stromrichtungsänderung eines Hochgeschwindigkeitsstroms ohne gleichzeitige Instabilität.
Die Fign. 5A, 5B und 5C veranschaulichen eine weitere Ausführungsforrn der Erfindung, bei welcher die Erfindung in einem bestimmten Sauerstoffbrenner verwendet wird. Die Bezugszeichen in den Fign. 5A, 5B und 5C sind für die gemeinsamen Elemente die selben.
Der Brennstoff für den Brenner wird durch einen konzentrischen Durchlaß 50 um die Außenseite der in den Fign. 5A, 5B und 5C veranschaulichten Düse zugeführt. Unter Bezugnahme auf Fig. 5B wird der Sauerstoff, welcher von dem zentralen Durchlaß der Düse zugeführt wird, in drei Teile aufgespalten, den Hauptstrahl, die mehrfachen kleinen Strahlen und den ringförmigen Sauerstoff
Der Hauptstrahl enthält zwischen etwa 50 und 95 Prozent und irn allgerneinen etwa 60 Prozent des erforderlichen Sauerstoffstroms, und er wird durch die Einschnürung 51 und in den erweiterten Strömungsquerschnittsbereich 52 des Fluidhohlraums geleitet. Die Richtung dieses Strahls wird mittels des Durchströmens von Vorspannsauerstoff durch eine beliebige der in Fig. 5C veranschaulichten Vorspannstromdurchlässe 53 gesteuert. Wenn Vorspannsauerstoff aus einer getrennten Quelle durch einen Vorspanndurchlaß zugeführt wird, legt sich der Hauptsauerstoffstrahl selbst unter einem Winkel von etwa 10º gegenüberliegend zu dem Vorspannstromdurchlaß an dem sich verjüngenden Hohlraum an, und verläßt, der Wand des Hohlraums folgend, die Düse unter einem Winkel von etwa 40º bezüglich der Düsenachse. Die Kombination aus dem konischen und dem gekrümmten Hohlraum ermöglicht große Ablenkungswinkel bei kleinen Düsenlängen. Unter Verwendung dieser Technik wurde eine Ablenkung des Hauptstrahls bis zu einem Winkel von 90º von der Düsenachse erzielt.
Die mehrfachen Sauerstoffstrahlen 54 enthalten zwischen etwa 20 und 50 Prozent und im allgemeinen etwa 37 Prozent des erforderlichen Sauerstoffstroms, und sie sorgen für ein schnelles und vollständiges Mitreißen des die Fluiddüse umgebenden Brennstoffs. Dies gewährleistet, daß der gesamte dem Brenner zugeführte Brennstoff verbrannt wird. Da der fluidgesteuerte Hauptsauerstoffstrahl einen viel größeren Impuls als die mehrfachen Strahlen aufweist, bestimmt er die Richtung des Hauptgasstroms. Folglich biegen sich die mehrfachen Strahlen und folgen der Richtung des Hauptstrahls, wenn er mittels Fluid umgeschaltet wird.
Die verbleibenden 2 bis 8 Prozent, im allgemeinen 3 Prozent des nötigen Sauerstoffs strömen durch einen Durchlaß 56 in einen ringförmigen Raum 55 um die Düse und treten am Ende der Düse aus. Dieser geringe Sauerstoffstrom bewirkt in der in US-A-4 907 961 - Anderson - beschriebenen Weise eine Stabilisierung der Hochgeschwindigkeitssauerstoffstrahlen.
Das folgende Beispiel ist zu veranschaulichenden Zwecken vorgesehen und soll nicht beschränkend wirken.

BEISPIEL

Die in den Fign. 5A, 5B und 5C gezeigte Fluiddüse wurde in einem Sauerstoff/Brennstoff- Brenner montiert und bei einer Befeuerungsrate von 2930 kW (10 Millionen Btu/hr) betrieben. Technisch reiner Sauerstoff wurde als das Oxidationsmittel verwendet und bei einer Rate von 566,3 Standard-m³/h (20 000 Standardkubikfuß pro Stunde (scfh)) zugeführt. Dies führte zu einer offensichtlichen Geschwindigkeit von 518,2 m/sek (1700 ft/sec) für das durch die Fluidhohlraumeinschnürung geleitete Fluid. Erdgas wurde durch die die Düse umgebende Röhre bei einer Durchflußrate von 283,2 Standard-m³/h (10 000 scfh) zugeführt.
Vorspannfluid wurde bei einer Rate von 2,83 Standard-m³/h (100 scfh) durch einen von vier unterschiedlichen Vorspannstromdurchlässen zugeführt. Ohne Vorspannstrom blieb die Flamme in einer axialen Stellung. Wenn der Vorspannstrom zu einem Vorspanndurchdurchlaß angeschaltet wurde, wurde die Flamme zu einer Stelle etwa 40º aus der Achse des Brenners gegenüberliegend zu dem den Vorspannstrom zuführenden Durchlaß abgelenkt. Mittels des Umleitens des Vorspannstroms zu einem anderen Durchlaß verlagerte sich die Flamme zu einem neuen Quadrant in Abhängigkeit davon, durch welchen Durchlaß das Vorspannfluid zugeführt wurde. Der Durchlaß, durch welchen der Vorspannstrom zugeführt wurde, wurde extern zu dem Brenner durch eine Reihe von Ventilen gesteuert. Eine stabile Verbrennung wurde während aller Stromrichtungsänderungen aufrechterhalten.

Claims

1.Vorrichtung zum Andern der Strömungsrichtung eines in eine Verbrennungszone (3, 21, 35) injizierten Fluidstromes hoher Geschwindigkeit mit:

(A) einem Fluidhohlraum mit einem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich (38, 48, 51), der stromab mit einem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich (31, 41, 52) in Verbindung steht und der an der Verbindungsstelle einen Durchmesser D hat, der dafür ausreicht, daß hindurchtretendes Fluid eine Überschallgeschwindigkeit haben kann, wobei der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich eine Länge von 3 D bis 9 D hat, um benachbart einem Teil der Oberfläche des Fluidholilraums eine Zone von vermindertem Druck auszubilden; und

(B) einer Anordnung (7, 8, 53, 60, 61, 70, 71) zum Einbringen von Vorspannfluid in den Fluidhohlraum in einer zu der axialen Mittellinie des Fluidhohlraumes im wesentlichen senkrechten Richtung, wobei diese Anordnung einen Durchmesser d hat, der so gewählt ist, daß d/D im Bereich von 0,18 bis 0,75 liegt, wobei die Anordnung zum Einbringen von Vorspannfluid mit dem Fluidhohlraum an einer Stelle in Verbindung steht, die im Bereich von 3 d/4 stromaufwärts bis d/4 stromabwärts von der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich liegt, wobei D und d in den gleichen Einheiten gemessen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich (31) des Fluidhohlraums eine Innenfläche (32) von konischer Form hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erweiterte Strömungsquerschnittsbereich (41, 52) des Fluidhohlraums eine gekrümmte Innenfläche (42) hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Anordnung (53, 60, 61, 70, 71) zum Einbringen von Vorspannfluid solches Vorspannfluid in den Fluidhohlraum an der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich (38, 48, 51) und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich (31, 41, 52) oder stromaufwärts davon einbringt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Anordnung (7, 8, 53, 60, 61, 70, 71) zum Einbringen von Vorspannfluid eine Mehrzahl von Injektionsstellen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Anzahl der Injektionsstellen im Bereich von 2 bis 8 liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, verwendet innerhalb eines Brenners (1, 20).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, verwendet innerhalb einer Lanze (20).

9, Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der d/D im Bereich von 0,18 bis 0,25 liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Oberfläche (32, 42) des erweiterten Strömungsquerschnittsbereichs (31, 41, 52) mit der axialen Mittellinie (39) des Fluidhohlraums einen Winkel im Bereich von 10 bis 30 º bildet.

11. Verfahren zum Ändern der Strömungsrichtung eines in eine Verbrennungszone (3, 21, 35) injizierten Fluidstromes hoher Geschwindigkeit, bei dem:

(A) für einen Strom von Hauptfluid durch einen Fluidhohlraum mit einem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich. (38, 48, 51) mit einem Durchmesser D gesorgt wird, der stromab mit einem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich (31, 41, 52) in Verbindung steht, wobei das Hauptfluid durch den beschränkten Strömungsquerschnittsbereich mit einer Überschallgeschwindigkeit und durch den erweiterten Strömungsquerschnittsbereich über eine Länge von 3 D bis 9 D unter Ausbildung einer Zone von vermindertem Druck benachbart einem Teil der Oberfläche (32, 42) des Fluidhohlraums strömt;

(B) ein Vorspannfluidstrom mit einem Durchmesser d in den Fluidhohlraum im Bereich der Zone von vermindertem Druck in einer zu der Strömungsrichtung des durch den beschränkten Querschnittsbereich hindurchtretenden Hauptfluids an einer Stelle injiziert wird, die im Bereich von 3 d/4 stromaufwärts bis d/4 stromabwärts von der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich liegt, wobei D und d in den gleichen Einheiten gemessen sind; und

(C) die Strömungsrichtung des Hauptfluids geändert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Hauptfluid ein Oxidationsmittel ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Hauptfluid und das Vorspannfluid von gleicher Art sind.

14. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem sowohl das Hauptfluid als auch das Vorspannfluid gastörmig sind.

15. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Durchflußmenge des Vorspannfluids im Bereich von 0,5 bis 3,0 % der Durchflußmenge des Hauptfluids liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Vorspannfluid in den Fluidhohlraum an oder stromaufwärts von der Verbindungsstelle zwischen dem beschränkten Strömungsquerschnittsbereich (38, 48, 51) und dem erweiterten Strömungsquerschnittsbereich (31, 41, 52) injiziert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ferner Brennstoff in das Oxidationsmittel innerhalb der Verbrennungszone (3, 21, 35) eingebracht wird und das erhaltene Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel verbrannt wird.