具有氧分級的低燃燒速率的氧-燃料無光焰噴燃器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及分級式無光焰氧-燃料噴燃器，并且特別地，涉及能夠?qū)崿F(xiàn)比目前現(xiàn) 有的噴燃器低得多的燃燒速率的分級式無光焰（flat flame)氧-燃料噴燃器。
【背景技術(shù)】
[0002] 分級式無光焰氧-燃料噴燃器是已知的，包括美國專利No. 5, 611，682中描述的 噴燃器，該專利通過引用而整體地結(jié)合在本文中。沒有分級的無光焰氧-燃料噴燃器也是 已知的，包括美國專利No. 5, 575, 637中描述的噴燃器，該專利通過引用而整體地結(jié)合在本 文中。這些專利都由本申請的受讓人擁有。
[0003] 將No. 5, 611，682和No. 5, 575, 637專利設(shè)計擴(kuò)展到燃燒速率低的應(yīng)用不是簡單 直接的問題，而且對簡單地按比例縮小噴燃器的幾何構(gòu)造的工作也不成功。特別地，一個挑 戰(zhàn)是防止噴燃器塊在低燃燒速率下過熱，同時產(chǎn)生熔化玻璃所需要的穩(wěn)定且明亮的火焰。 這個平衡在使用標(biāo)準(zhǔn)的按比例擴(kuò)大/縮小準(zhǔn)則而設(shè)計的噴燃器中尤其難以捉摸，所述準(zhǔn)則 基于No. 5, 611，682和No. 5, 575, 637專利中描述的較大的噴燃器的設(shè)計原理來形成具有 氧分級的小型無光焰氧-燃料噴燃器。
[0004] 本申請涉及設(shè)計方法和產(chǎn)生的噴燃器，該噴燃器具有在整個運(yùn)行范圍中防止噴燃 器塊過熱的幾何構(gòu)造和運(yùn)行參數(shù)，因?yàn)橄到y(tǒng)地選擇了預(yù)燃器和燃料和氧噴嘴的相對和絕對 尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 在一個實(shí)施例中，一種無光焰氧-燃料噴燃器，包括： 氣態(tài)燃料噴嘴，其具有出口端、寬度w、高度a，以及至少為大約2的寬度-高度比w/a ; 一級（primary)氧化劑管道，其定位成同心地包圍所述燃料噴嘴，以便在所述燃料噴 嘴和所述一級氧化劑管道之間形成基本均勻的環(huán)形一級氧化劑噴嘴，所述一級氧化劑管道 具有高度b，所述一級氧化劑噴嘴具有與所述燃料噴嘴的出口端對齊的出口端；以及 從所述燃料噴嘴和氧化劑噴嘴的出口端延伸到火焰端的預(yù)燃器，所述預(yù)燃器具有長度 L和液力直徑Dh ; 其中，所述預(yù)燃器的比L/Dh小于或等于大約4 ;以及 其中，尺寸a、b和w在大小上設(shè)置成使得在所述噴燃器以大約0. 05至大約I MMBtu/hr 的燃燒速率運(yùn)行時，所述一級氧化劑具有大約200至大約22000的雷諾（Reynolds)數(shù)。
【附圖說明】
[0006] 圖1是噴燃器和噴燃器塊的實(shí)施例的側(cè)視橫截面圖，其顯示一些相關(guān)尺寸。
[0007] 圖2是圖1的噴燃器和噴燃器塊的實(shí)施例的端視圖，其顯示額外的相關(guān)尺寸。
[0008] 圖3是一對曲線圖，其顯示在普朗特（Prandtl)數(shù)為0. 7時，努塞爾特（Nusselt) 數(shù)隨雷諾數(shù)改變。左邊：面積恒定的圓管。右邊：平行板通路。改編自亞伯拉罕等人 的"層流-湍流過渡區(qū)域的低雷諾數(shù)端的內(nèi)部流努塞爾特數(shù)（Internal-flow Nusselt numbers for the low-Reynolds-number end of the laminar-t〇-turbulent transition regime)，'，熱和質(zhì)量傳遞國際期干Ij (International Journal of Heat and Mass Transfer), 54(1-3) :5(2011)。
[0009] 圖4是顯示噴燃器塊過熱根據(jù)預(yù)燃器L/Dh、一級氧流百分比和一級氧流雷諾數(shù)而 改變的圖表。長方形中的值顯示室溫和環(huán)境壓力下的一級氧流雷諾數(shù)，其中，在長方形中顯 示的標(biāo)有位于左上角的正方形的值表示小于圓管流的臨界雷諾數(shù)2300的值。圓中的值顯 示在此處觀察到噴燃器塊過熱的最小L/Dh (沒有圓就表示沒有過熱）。
[0010] 圖5A-?是關(guān)于各種幾何構(gòu)造和運(yùn)行條件的計算流體力學(xué)（CFD)結(jié)果的圖形描 繪。
[0011] 圖6是根據(jù)No. 5, 611，682和No. 5, 575, 637專利中描述的較大的噴燃器和本文 描述的較低燃燒速率噴燃器的相關(guān)燃燒速率而改變的通過燃料噴嘴的液力（hydraulic) 直徑標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)燃器長度的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 圖1和2顯示具有相關(guān)尺寸的分級式無光焰氧-燃料噴燃器的示例性實(shí)施例。將 在本文詳細(xì)論述的尺寸如下： L預(yù)燃器長度 D預(yù)燃器高度 a燃料氣體通道高度 b -級氧化劑氣體噴嘴內(nèi)部高度 c 一級氧化劑氣體通道高度 w燃料氣體和氧化劑氣體噴嘴寬度（兩者相同，以便使b恒定） Dh液力直徑（4乘以橫截面積除以周長）。對于圓：4 π r2/2 π r=2r 在No. 5, 611，682和No. 5, 575, 637專利的實(shí)施例中，預(yù)燃器長度L為I至24英寸，并 且優(yōu)選4至8英寸；燃料噴嘴和分級噴嘴具有4至40英寸和優(yōu)選8至24英寸的寬度；并 且燃燒速率為〇. 5至40MMBtu/hr (百萬英熱單位/小時），并且優(yōu)選1至20 MMBtu/hr。另 外，預(yù)燃器的火焰端的液力直徑與燃料噴嘴的液力直徑的比為1至6,預(yù)燃器的噴燃器端處 的L/D為大約6至8,并且預(yù)燃器的火焰端處的L/D為大約4至7。
[0013] 在圖1和2中描繪的噴燃器中，在具有尺寸c的環(huán)形開口中提供環(huán)形一級氧化劑 氣體流，其包圍在具有尺寸a的開口中的中心燃料氣體流。一級氧化劑氣體用作燃料和氧 化劑的燃燒界面之間的冷卻介質(zhì)，從而移除預(yù)燃器內(nèi)部的氧-燃料火焰產(chǎn)生的熱，并且從 而防止噴燃器塊過熱。
[0014] 但是，對于給定的噴燃器噴嘴幾何構(gòu)造，在燃燒速率低且高度分級狀況下（即，當(dāng) 大比例的氧化劑正流過二級（secondary)分級噴嘴，而非流過一級氧化劑噴嘴時），一級氧 化劑氣體流率可變得很低，以至于流經(jīng)歷湍流-層流過渡，并且成為層流。與層流相關(guān)聯(lián)對 流冷卻速率顯著地低于湍流。因此，由一級氧化劑氣體流提供的冷卻可能無法充分地移除 預(yù)燃器內(nèi)部的氧-燃料火焰產(chǎn)生的熱，從而允許噴燃器塊過熱和失效。
[0015] 在一級氧化劑通道/流中，雷諾數(shù)（Re)計算如下： 等式 I :Reprim_〇2 = P · Q/ { μ · [w+ π /4 · (a+b) ]}, 其中，Q是體積流率，P是密度，μ是一級氧化劑的動態(tài)粘度，并且在特定溫度下規(guī)定 P和μ 〇
[0016] 對于引入到分級端口的給定百分比的總氧化劑流，傳送通過圍繞燃料氣體的一級 氧化劑氣體通道的氧化劑氣體的流率與燃燒速率成比例。在給定燃燒速率下，可通過上游 分流閥來控制傳送通過一級氧化劑氣體通道和分級氧化劑氣體通道的流的分配。
[0017] 只要由一級氧化劑氣體流提供的對流冷卻速率等于或高于預(yù)燃器內(nèi)部的火焰產(chǎn) 生的熱，則火焰可傳送通過預(yù)燃器，而不損害噴燃器塊壁。對流冷卻速率與努塞爾特數(shù)（Nu) 成比例，努塞爾特數(shù)是雷諾數(shù)的強(qiáng)函數(shù)，如圖3中示出。注意，環(huán)形的一級氧化劑氣體通道 的特征在于限制目前的設(shè)計的這兩個極端的幾何構(gòu)造，即，圓管和平行板通路。如可從圖3 看到的那樣，在臨界雷諾數(shù)（在該處，流被限定為層流）以下，努塞爾特數(shù)且因此對流冷卻 速率顯著降低且保持恒定。
[0018] 圖4顯示對于燃燒速率0. 05至1.0 MMBtu/hr，使用天然氣作為燃料氣體，以及使用 純氧作為氧化劑氣體所進(jìn)行的測試的結(jié)果。一級氧流的范圍為25%至100%，它們分別表示 全部分級和無分級。預(yù)燃器L/Dh(在預(yù)燃器的火焰端處限定的Dh)為1.6至5. 8,以評價前 述參數(shù)對噴燃器塊過熱的作用。
[0019] 如圖4中顯示的那樣，噴燃器塊過熱很有可能在預(yù)燃器L/Dh增大，燃燒速率減小， 一級氧流雷諾數(shù)減少和分級（二級氧化劑與一級氧化劑的比例）增加時發(fā)生。重要的是， 在雷諾數(shù)低于在室溫和周圍壓力下計算出的臨界雷諾數(shù)時一貫地發(fā)生噴燃器塊過熱，如長 方形中的標(biāo)有位于左上角的正方形的數(shù)字表示。
[0020] 結(jié)果建議應(yīng)當(dāng)將一級氧通道設(shè)計成盡可能地增加雷諾數(shù)，以最大程度地減少/防 止噴燃器塊過熱。如可從等式1看到的那樣，對于給定