[发明专利]具有氧分级的低燃烧速率的氧‑燃料无光焰喷燃器

说明书

技术领域

本申请涉及分级式无光焰氧-燃料喷燃器，并且特别地，涉及能够实现比目前现有的喷燃器低得多的燃烧速率的分级式无光焰(flat flame)氧-燃料喷燃器。

背景技术

分级式无光焰氧-燃料喷燃器是已知的，包括美国专利No. 5,611,682中描述的喷燃器，该专利通过引用而整体地结合在本文中。没有分级的无光焰氧-燃料喷燃器也是已知的，包括美国专利No. 5,575,637中描述的喷燃器，该专利通过引用而整体地结合在本文中。这些专利都由本申请的受让人拥有。

将No. 5,611,682和No. 5,575,637专利设计扩展到燃烧速率低的应用不是简单直接的问题，而且对简单地按比例缩小喷燃器的几何构造的工作也不成功。特别地，一个挑战是防止喷燃器块在低燃烧速率下过热，同时产生熔化玻璃所需要的稳定且明亮的火焰。这个平衡在使用标准的按比例扩大/缩小准则而设计的喷燃器中尤其难以捉摸，所述准则基于No. 5,611,682和No. 5,575,637专利中描述的较大的喷燃器的设计原理来形成具有氧分级的小型无光焰氧-燃料喷燃器。

本申请涉及设计方法和产生的喷燃器，该喷燃器具有在整个运行范围中防止喷燃器块过热的几何构造和运行参数，因为系统地选择了预燃器和燃料和氧喷嘴的相对和绝对尺寸。

发明内容

在一个实施例中，一种无光焰氧-燃料喷燃器，包括：

气态燃料喷嘴，其具有出口端、宽度w、高度a，以及至少为大约2的宽度-高度比w/a；

一级(primary)氧化剂管道，其定位成同心地包围所述燃料喷嘴，以便在所述燃料喷嘴和所述一级氧化剂管道之间形成基本均匀的环形一级氧化剂喷嘴，所述一级氧化剂管道具有高度b，所述一级氧化剂喷嘴具有与所述燃料喷嘴的出口端对齐的出口端；以及

从所述燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的出口端延伸到火焰端的预燃器，所述预燃器具有长度L和液力直径Dh；

其中，所述预燃器的比L/Dh小于或等于大约4；以及

其中，尺寸a、b和w在大小上设置成使得在所述喷燃器以大约0.05至大约1 MMBtu/hr的燃烧速率运行时，所述一级氧化剂具有大约200至大约22000的雷诺(Reynolds)数。

附图说明

图1是喷燃器和喷燃器块的实施例的侧视横截面图，其显示一些相关尺寸。

图2是图1的喷燃器和喷燃器块的实施例的端视图，其显示额外的相关尺寸。

图3是一对曲线图，其显示在普朗特(Prandtl)数为0.7时，努塞尔特(Nusselt)数随雷诺数改变。左边：面积恒定的圆管。右边：平行板通路。改编自亚伯拉罕等人的“层流-湍流过渡区域的低雷诺数端的内部流努塞尔特数(Internal-flow Nusselt numbers for the low-Reynolds-number end of the laminar-to-turbulent transition regime)”，热和质量传递国际期刊(International Journal of Heat and Mass Transfer)，54(1-3):5(2011)。

图4是显示喷燃器块过热根据预燃器L/Dh、一级氧流百分比和一级氧流雷诺数而改变的图表。长方形中的值显示室温和环境压力下的一级氧流雷诺数，其中，在长方形中显示的标有位于左上角的正方形的值表示小于圆管流的临界雷诺数2300的值。圆中的值显示在此处观察到喷燃器块过热的最小L/Dh(没有圆就表示没有过热)。

图5A-5D是关于各种几何构造和运行条件的计算流体力学(CFD)结果的图形描绘。

图6是根据No. 5,611,682和No. 5,575,637专利中描述的较大的喷燃器和本文描述的较低燃烧速率喷燃器的相关燃烧速率而改变的通过燃料喷嘴的液力(hydraulic)直径标准化的预燃器长度的曲线图。

具体实施方式

图1和2显示具有相关尺寸的分级式无光焰氧-燃料喷燃器的示例性实施例。将在本文详细论述的尺寸如下：

L预燃器长度

D预燃器高度

a燃料气体通道高度

b一级氧化剂气体喷嘴内部高度

c一级氧化剂气体通道高度

w燃料气体和氧化剂气体喷嘴宽度(两者相同，以便使b恒定)

Dh液力直径(4乘以横截面积除以周长)。对于圆：4πr²/2πr=2r