专利名称：提供相邻的湍流气体喷射和一致气体喷射的系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及气体动力学，更具体为涉及一致气体喷射(coherent gasjet)技术。
在气体动力学领域中，最近的主要进展为开发一致喷射技术，这种技术产生能够长距离输送气体，同时基本维持在其初始速度不变并且其直径只有非常小的增大的激光状喷射。一致喷射技术在工业上非常重要的一个应用为将气体导入液体如熔融金属，由此可以使设置的气体喷枪(gas lance)距液体表面较远，并且由于多得多的气体穿过进入液体，使得操作更安全，并且更有效(与常规实践时许多气体被液体表面所折射而不能进入液体相比)。
人们有时需要将一致气体喷射和湍流气体喷射同时用于工业操作。例如，炼钢时有时需要采用一致气体喷射将气体注入熔融的金属中用于搅拌，同时采用一个或多个湍流气体喷射用于燃烧和/或脱碳。如果它们相隔不远的话，那么一个湍流气体喷射可能破坏另一个气体喷射。在现有技术中，对于需要同时采用一致气体喷射和湍流气体喷射的工业操作，需要采用昂贵的两个单独的气体输送系统。
因此，本发明的一个目的是提供能将相互靠近的一致气体喷射和湍流气体喷射有效提供至注入区的系统。
上面和其它目的(对于读完本公开的本领域技术人员是显而易见的)，可以通过本发明来实现，其一个方面为提供一种使湍流气体喷射和一致气体喷射相邻送入一个注入区的方法，该方法包括(A)使气体喷射进入一个成形区，使燃料流与气体喷射成环状进入成形区，并使氧化剂与气体喷射成环状流入成形区；(B)用燃料燃烧氧化剂以形成所述气体喷射的火焰包围；
(C)使来自所述成形区的气体喷射和火焰包围进入注入空间，所述气体喷射为一致气体喷射；和(D)使至少一个湍流气体喷射进入与一致气体喷射相邻的注入空间，其中火焰包围位于一致气体喷射和湍流气体喷射之间。
本发明的另一个方面为提供相邻的湍流气体喷射和一致气体喷射进入注入区的装置，其包括(A)一致气体喷射供应设备，其包括一个具有与成形区进行产物交换的一致气体喷嘴，所述成形区与注入区进行交换；(B)向与一致气体喷嘴成环状的成形区提供燃料的设备。
(C)向与一致气体喷嘴成环状的成形区提供氧化剂的设备；和(D)与一致气体喷射供应设备相邻的湍流气体喷射供应设备，所述湍流气体喷射供应设备包括一个直接与注入区进行产物交换的湍流气体喷嘴。
此处所用术语“一致喷射”是指由来自喷嘴的排出气体形成的、沿其长度的速度和动量分布与从喷嘴排出时的速度和动量分布相似的气体喷射。
此处所用术语“环状”是指环的形状。
此处所用术语“火焰包围”是指与至少一个气流基本同轴的环状燃烧流。
此处所用术语“长度”是指当用于一致气体喷射设备时为从气体排出的喷嘴至一致气体喷射所要到达的冲击点或至一致气体喷射终止的位置的距离。
此处所用术语“湍流喷射”是指由从喷嘴排出的气体形成的、沿其长度的速度和动量分布与其从喷嘴排出时的速度和动量分布不同的气体喷射。
图1为一个截面图，代表本发明的一个喷枪尖端的一个尤其优选的实施方案。
图2为图1所示设备的俯视图。
图3为说明本发明方法操作时的一个横截面图。
图中相同的元件采用相同的编号。
本发明是能同时提供相互邻接的一致气体喷射和湍流气体喷射的一个系统，该系统没有牺牲任一种气体喷射或由此获得的优点。这两种不同类型的气体喷射最优选采用相同的喷枪。
以下将参照附图对本发明作更详细的描述。使来自气源(未标出)的气体1通过一致气体喷射供应设备2，该设备包括一致气体通道3和一致气体喷嘴4(如图1所示，优选为一个聚集/散射喷嘴)。气体1可以是形成一致气体喷射的适用气体。这些气体包括氧、氮、氩、二氧化碳、氢、氦、水蒸汽、烃类气体以及包含其一种或多种的混合物。一致气体喷嘴4与成形区5进行交换，并且气体1以气体喷射30的形式进入成形区5。
使来自燃料源(未标出)的燃料6通过通道7，所述通道与一致气体通道3和一致气体喷嘴4成环状并且同轴。所述燃料可以是有效的气体燃料如甲烷、丙烷或天然气。燃料通道7与成形区5进行交换，而燃料流从燃料通道7流入与气体喷射30成环状的成形区5。
使来自氧化剂源(未标出)的氧化剂8通过通道9，所述通道与一致气体通道3成环状并且与燃料通道7同轴。氧化剂8可以为空气、氧浓度超过空气的富氧空气或氧浓度至少99％(摩尔)的工业氧。优选氧化剂8为氧浓度至少25％(摩尔)的流体。氧通道9与成形区5进行交换，而氧化剂8从氧通道9流入与燃料流优选成环状的成形区5。
燃料流和氧化剂流进行燃烧从而形成环绕并与气体喷射30同轴的火焰包围31。优选火焰包围31的速度小于气体喷射30并且速度范围通常为300-1500fps。图1所示的本发明实施方案为一个优选的实施方案，其具有一个折射器10以用于将氧化剂流导入燃料流从而获得更有效的火焰包围。成形区5与注入区11进行交换，而气体喷射30和火焰包围31从成形区5流入注入区11。例如，注入区11可以是一个碱性氧气炉或其它炉如熔炼炉(bath smelting furnace)、不锈钢转炉、铜转炉或高碳锰铁精炼炉。
由于优选采用向内导入氧化剂流的火焰包围31，气体喷射30为一致气体喷射并且保持沿其长度的一致气体喷射。优选一致气体喷射30为超声速并且其速度范围通常为每秒1000-2000英尺(fps)。
与一致气体喷射供应设备2相邻的为至少一个湍流气体喷射供应设备12，其包含一个湍流气体通道13和直接与注入区11进行交换的湍流气体喷嘴14。在附图所示的实施方案中，将这样四个湍流气体供应设备以环状布置在位于中心的一致气体喷射供应设备的周围。所指相邻是指距湍流气体喷嘴14和成形区5之间的喷枪面15的最近距离(图2所示的“L”)不超过2英寸，并且其范围通常为0.25-2英寸。如附图所示，湍流气体喷嘴优选为聚集/散射喷嘴。
来自气源(未标出)的气体33通过湍流气体供应设备13和湍流气体喷嘴14。气体33可以是用来形成湍流气体喷射的适用气体。这些气体可以是氧、氮、氩、二氧化碳、氢、氦、蒸汽、烃类气体以及包含其一种或多种的混合物。
从湍流气体喷嘴14流出的气体以一种或多种湍流气体喷射32的形式直接进入注入空间11。一种在本发明中用于形成湍流气体喷射尤其优选的气体为含氧气体，如空气、富氧空气或工业氧气，它们可以用于实施燃烧反应。这些喷射的湍流有助于获得这种燃烧反应的更高效率的燃烧。
尽管一致喷射30和湍流喷射32相互靠近，但一致喷射的一致性没有受到破坏。这种稳定性来源于在成形区内初始形成的一致喷射和在一致喷射和湍流喷射之间的空间存在的火焰包围31。
采用与附图所示相似的本发明的实施方案，进行本发明的测试。
通过转角12度的四个湍流气体喷嘴(模仿按比例缩小的碱性氧气炉喷枪)来获得四个湍流超声氧气喷射。将这些喷嘴均匀放成一个直径1.73”的环(喷嘴出口的中线)。每个喷嘴为聚集/散射式，其喉部直径为0.327”，出口直径为0.426”。对于这些测试，通过各个喷嘴的氧气流速为10000CFH(NTP)，喷嘴上游的供料压力为100psig。出口的喷射速率为约1600fps(2马赫)。
可以将氮气用于一致喷射。安装在喷枪轴上的喷嘴为喉部直径0.20”、出口直径0.26”的聚集/散射式。通过喷嘴的氮气流速为4000CFH(NTP)，喷嘴上游的供料压力为100psig。出口的喷射速度约为1700fps(2马赫)。
采用天然气的内环(0.555”OD,0.375”ID)和环状氧的外环(0.710”OD,0.625”ID)来提供火焰包围。折射器将另一部分氧转入主要的氮气喷射从而获得更有效的火焰包围。天然气和第二部分氧气流的速率各自为500CFH。
在距喷嘴8英寸的喷射轴处采集pitot管读数。只有氮气流过(没有用于湍流气体喷嘴的天然气、环形氧或氧)时，Pitot管读数为2psig。当接通天然气和环形氧提供火焰包围时，可以获得pitot管读数为32psig、对应气体流速1390fps(1.4马赫)的一致氮喷射。当接通四个外部湍流氧喷射(10000CFH/喷射)时，氮喷射的pitot管读数保持基本相同。所述一致氮喷射不会受进入四个外部湍流氧喷射的高夹带率的影响。
这些结果表明获得相邻一个或多个湍流喷射的一致喷射的关键为在一致喷射和湍流喷射之间具有本发明的限定的火焰包围。对于此处所示的实验性实施例而言，用四个湍流氧喷射维持单个一致氮喷射。相信由火焰包围的、两个或多个一致喷射和采用其它气体如氧、氩、二氧化碳或天然气的一致喷射可以获得相似的结果。
尽管在参照某些特别优选的实施方案对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应认识到仍然存在属于本发明权利要求的精神和范围内的其它实施方案。例如为形成火焰包围，采用内环设备提供氧化剂，采用外环设备提供燃料，或者燃料或氧化剂可以分别采用一种以上的供应设备。
权利要求
1．提供相邻的湍流气体喷射和一致气体喷射(coherent gasjets)进入注入区的方法，其包括(A)使气体喷射进入成形区，使燃料流与气体喷射成环状进入成形区，并使氧化剂与气体喷射成环状流入成形区；(B)用燃料燃烧氧化剂从而形成环绕气体喷射的火焰包围；(C)使来自成形区的气体喷射和火焰包围进入注入空间，所述气体喷射为一致气体喷射；和(D)使至少一个湍流气体喷射进入与一致气体喷射相邻的注入空间，其中火焰包围位于一致气体喷射和湍流气体喷射之间。
2．权利要求1的方法，其中燃料流与氧化剂流成环状。
3．权利要求1的方法，其中氧化剂流与燃料流成环状。
4．权利要求1的方法，其中一致气体喷射包含氮、氧、氩、二氧化碳或天然气的一种或多种。
5．权利要求1的方法，其中湍流气体喷射包含氧。
6．提供相邻的湍流气体喷射和一致气体喷射进入注入区的装置，其包括(A)一致气体喷射供应设备，其包含具有与成形区进行产物交换的一致气体喷嘴，所述成形区与注入区进行交换；(B)向与一致气体喷嘴成环状的成形区提供燃料的设备；(C)向与一致气体喷嘴成环状的成形区提供氧化剂的设备；和(D)与一致气体喷射供应设备相邻的湍流气体喷射供应设备，所述湍流气体喷射供应设备包含一个与注入区直接进行产物交换的湍流气体喷嘴。
7．权利要求6的装置，其中所述一致气体喷嘴为聚集/散射喷嘴。
8．权利要求6的装置，其中从一致气体喷嘴周边到湍流气体喷嘴周边的距离为0.25-2英寸。
9．权利要求6的装置，其包括许多湍流气体喷嘴。
10．权利要求6的装置，其进一步包括将氧化剂导入成形区内的燃料的设备。
全文摘要
在与一个或多个湍流气体喷射相邻的一个或多个一致气体喷射中,提供气体进入注入区的系统,其中在进入湍流气体直接进入其中的注入区之前,在成形区中形成火焰包围的一致气体喷射。
文档编号F23D14/32GK1307936SQ0110308
公开日2001年8月15日 申请日期2001年2月1日 优先权日2000年2月2日
发明者J·E·安德森, B·萨马, R·J·塞林埃斯, P·C·马图尔 申请人:普莱克斯技术有限公司