Injektor zum Einsatz in metallurgischen Anlagen Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einsatz in metallurgischen Anlagen insbesondere in einem Basic Oxygen Furnace (BOF), in einem Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter oder in einem Elektrolichtbogenofen (EAF), mit einer als Überschalldüse ausgelegten Primärdüse zum Aufblasen eines sauerstoffreichen Gases auf eine Metallschmelze und einer koaxial zur Primärdüse angeordneten Sekundärdüse zum Erzeugen eines den aus der Primärdüse austretenden Gasstrahl umgebenden Koaxialstrahls.

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind Injektoren mit Koaxialstrahl bekannt. Solche Injektoren dienen zum Auf- und Einblasen von sauerstoffreichem Gas in eine Metallschmelze mit dem Ziel, die Metallschmelze zu entkohlen und gleichzeitig eine reaktionsfähige, schützende Schaumschlackenschicht über der Metallschmelze aufzubauen. Ferner dienen solche Injektoren auch dazu, durch das gezielte Einbringen an chemischer Energie in Form brennbarer Gase den anfänglich im EAF vorhandenen Schrott aufzuschmelzen. Moderne Injektoren können zwischen diesen beiden Verfahrensmodi, d. h. zwischen dem Injektorbetrieb und dem Brennerbetrieb, umschalten. Im Folgenden wird der Begriff „Injektor" gleichbedeutend mit dem kombinierten „Brenner-Injektor" verwendet.

Der Injektor beschleunigt das sauerstoffreiche Gas, meist reinen Sauerstoff, auf Überschallgeschwindigkeit. Solche Geschwindigkeiten können ausschließlich mit einer so genannten Lavaldüse erzielt werden, die hier als Primärdüse verwendet wird. Strömungstechnische optimierte Lavaldüsen, werden für Injektoren und Blaslanzen zum definierten Einsatz in metallurgischen Anlagen (Elektrolichtbogenofen (EAF), Reduktionsofen (SAF), Konverter (AOD, BOF), Sekundärmetallurgischen Anlage (VOD, RH) etc.) eingesetzt. Lavaldüsen bestehen aus einem konvergenten und einem divergenten Bereich, ihre Aufgabe besteht darin, den Gasstrahl (Luft, Sauerstoff, Inertgas, etc.) auf Überschallgeschwindigkeit (Machzahl M > 1 ) zu beschleunigen

Die Funktion der Lavaldüse sei am Beispiel des Einsatzes im EAF erläutert:

Seit Mitte der 1990er Jahre werden Erdgasbrenner zum Schmelzen und Überhitzen von Schrott bzw. Eisen im EAF eingesetzt, um den Bedarf an elektrischer Energie zu senken und die Produktivität zu steigern. Während die eingebrachte Energie und damit die Einschmelzleistung in der Ofenmitte am höchsten sind, bilden sich im Bereich der Ofenwände so genannte cold spots. Hier kann durch den Einbau von Brennern in die Ofenwand zusätzliche chemische Energie eingebracht werden. Des Weiteren muss die Schmelze durch das Einblasen von Sauerstoff entkohlt werden. Moderne Brennersysteme bestehen heute aus einer kombinierten Brenner-/lnjektor-Technologie. Der Injektor ist ein kombiniertes System zum Aufschmelzen von Schrott und zum Frischen der Metallschmelze. Bild 1 zeigt den Aufbau des Injektors, bestehend aus Flammenerzeuger (flame generator) und Brenner-/lnjektor-Einheit (burner/injector tube). Der Injektor besteht aus der zuvor schon beschriebenen zentralen Lavaldüse (Überschall) und einer koaxialen Ringspaltdüse (Unterschall). Der gesamte Kopf ist aus Kupfer gegossen oder geschmiedet. Lavaldüse und Ringspaltdüse werden durch innere Kanäle mit Wasser gekühlt. Der Injektor ist in einem Kupfer-Panel eingebaut, dessen Design und Anordnung einen geringen Abstand zwischen Düse und Schmelzenoberfläche zulässt. Zudem wird durch die Position der Düse die Feuerfest-Zustellung vor übermäßigem Verschleiß verschont. Infolge der Ofenwechselgefäßbauweise ist jeder Injektor auswechselbar. Zusätzlich kann das Innenleben separat ausgetauscht werden, was zur Senkung der Wartungskosten beiträgt. Alle Schläuche für die Medienversorgung sind mit Schnellkupplungen ausgerüstet. Die Durchflussmengen (O ₂ , CH , Luft) werden von einer Ventilstation gesteuert. Das Wartungsintervall des Injektors ist in der Regel länger als das des Ofengefäßes. Die Wartung erfolgt bei Gefäßwechsel oder Neuzustellung des EAF.

In der Praxis arbeitet der Injektor in unterschiedlichen Phasen, dem Pilotmodus, dem Brennermodus und dem Injektormodus, Bild 2. Der Pilotmodus, Bild 2a, ist ein Bereitschaftsmodus und bei inaktivem Injektor vorgesehen. Die Pilotflamme besteht aus dem Verbrennungsgas des Erdgasbrenners, das mit einer Zündkerze gezündet wird. Die Flammenüberwachung erfolgt mit einer lonisationselektrode mit Auswerteelektronik. Die Pilotflamme vermeidet, dass Schlacken- und Schmelzentropfen am Injektor anhaften. Die spezielle Düsengeometrie mit der zurückgezogenen, zentralen Primärdüse und dem konzentrisch angeordneten Ringspalt verhindert das Verstopfen der Düse durch Spritzeffekte seitens der Metallschmelze und der Schlacke. Im Brennermodus, Bild 2b, wird dem EAF thermische Energie zugeführt. Sauerstoff und Erdgas werden unverbrannt durch den Injektor gefördert und vermischen sich im Ofen zu einem brennbaren Gemisch, das durch die Ofenatmosphäre zündet. Eine separate Zündung mittels Zündkerze ist nicht erforderlich. Die leistungsstarke Flamme unterstützt das Einschmelzen des Schrottes in kalten Bereichen und homogenisiert das Einschmelzbild. Anordnung und Steuerung der Brenner werden ganzheitlich betrachtet und aufeinander abgestimmt.

In der Flachbadphase wird auf den Injektormodus, Bild 2c, umgeschaltet. Zur schnellen Entkohlung der Metallschmelze ist die optimale Wechselwirkung von Sauerstoff und Metallschmelze ausschlaggebend. Dies wird erreicht durch einen Überschallstrahl, der mit etwa zweifacher Schallgeschwindigkeit aus der Düse austritt und mit hohem Impuls auf die Metallschmelze trifft. Der integrierte Heißgaserzeuger (hot gas generator) liefert, ähnlich wie beim Pilotmodus, einen Hüllstrahl aus heißem Verbrennungsgas, das den kalten Sauerstoffstrahl umhüllt und dadurch die Länge des Überschallbereiches vergrößert.

Aus der WO2011/120976A1 ist bekannt, dass die - näherungsweise glockenförmige - Innenkontur einer Lavaldüse nach einem speziellen numerischen Verfahren ermittelt wird, das auf der Lösung der partiellen, gasdynamischen Differentialgleichungen beruht.

Beim Charakteristikenverfahren werden die Mach ^' schen Linien, d. h. die Linien schwacher Druckstörungen, die sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzen und die unter einem definierten Winkel, dem Mach ^' schen Winkel, zum lokalen Geschwindigkeitsvektor angeordnet sind, als Grundlage für die so bezeichneten rechts- und linkslaufenden Charakteristiken angesetzt. Entlang dieser Charakteristiken ist die Lösung der partiellen Differentialgleichungen bekannt.

Das Charakteristikenverfahren löst die stationäre, isentrope, rotationssymmetrische Gasströmung mittels der räumlich diskretisierten Charakteristikengleichungen unter Berücksichtigung von

Kompatibilitätsbedingungen. Mit anderen Worten wird für jede axiale Position (x- Koordinate) entlang der Primärdüse ein zugehöriger radialer Wert (r-Koordinate) so ermittelt, dass sich innerhalb der Düse eine störungsfreie Gasströmung ausbildet.

Die aus WO201120976A1 bekannte Überschalldüse beschreibt eine fest definierte Düsenklasse, die mit diesem speziell entwickelten Charakteristikenverfahren ausgelegt worden ist, mit dem Ziel,

· verschleißarme Düsen zu fertigen

• einen möglichst langen Gasstrahl, hier Sauerstoff, zu generieren. Als Düsenklasse werden solche Düsen bezeichnet, die für einen bestinnnnten Druckbereich und gleichzeitig für einen bestinnnnten Volumenstrombereich ausgelegt worden sind. Das zuvor beschriebene Patent schützt eine spezielle, numerisch festgelegte Klasse von Einzeldüsenkonturen, welche einerseits einen reduzierten Düsenverschleiß und andererseits eine maximaler Länge des Überschallbereiches des Gasstrahls beim Einsatz in metallurgischen Aggregaten garantiert.

Aus den zuvor benannten Zusammenhängen wird ersichtlich, dass im Injektormodus, also beim Aufblasen von Sauerstoff mit einer einzelnen Primärdüse auf die Schmelzenoberfläche, es das primäre Ziel ist, die Metallschmelze möglichst effizient und effektiv zu entkohlen, aber gleichzeitig auch eine gute Schaumschlacke im EAF zu erzeugen, um die umgebende Ofengeometrie (d. h. die Kühlpanels) vor der extrem heißen Lichtbogenstrahlung abzuschirmen. Da der Sauerstoffinjektor in einem vorgelagerten EAF-Panel eingebaut wird, und unter einem Winkel von ca. 40° - 45° angeordnet ist, muss der Sauerstoffstrahl unter Umständen lange Wegstrecken von bis zu 3 m überbrücken, um zur Schmelzenoberfläche zu gelangen. Dies geschieht insbesondere in der Flachbadphase. Daher wird es erforderlich, einen möglichst langen, kohärenten Sauerstoff-Überschallstrahl zu generieren, der mit einem hohen Strahlimpulsstrom bzw. Strahlkraft (in Newton) auf die Schmelzenoberfläche trifft. Nur in diesem Fall ist eine gute Entkohlung bei gleichzeitig intensiver Vermischung der Metallschmelze möglich. Damit die Überschalllänge möglichst lang ist, darf der Gasstrahl keinerlei Störungen, weder innerhalb noch außerhalb der Lavaldüse, aufweisen, was bei schlecht ausgelegter Wandkontur sowohl der Lavaldüse als auch der Ringspaltdüse der Fall sein kann.

Darstellung der Erfindung Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injektor anzugeben, der eine weiter verbesserte Überschalllänge bereitstellt. Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Entsprechend wird ein Injektor zum Einsatz in metallurgischen Anlagen, insbesondere in einem Basic Oxygen Furnace (BOF), in einem Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter oder in einem Elektrolichtbogenofen (EAF), vorgeschlagen mit einer als Überschalldüse ausgelegten Primärdüse zum Aufblasen eines sauerstoffreichen Gases auf eine Metallschmelze und einer koaxial zur Primärdüse angeordneten Sekundärdüse zum Erzeugen eines den aus der Primärdüse austretenden Gasstrahl umgebenden Koaxialstrahls, wobei die Primärdüse einen konvergenten Abschnitt und einen divergenten Abschnitt aufweist, welche in einem Radius des engsten Querschnitts r ^* aneinander angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärdüse und die Sekundärdüse durch folgende Schar von Düsenformen in deren jeweiligem Auslegungsfall definiert sind:

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Entsprechend wird ein Injektor zum Einsatz in metallurgischen Anlagen, insbesondere in einem Basic Oxygen Furnace (BOF), in einem Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter oder in einem Elektrolichtbogenofen (EAF), vorgeschlagen mit einer als Überschalldüse ausgelegten Primärdüse zum Aufblasen eines sauerstoffreichen Gases auf eine Metallschmelze und einer koaxial zur Primärdüse angeordneten Sekundärdüse zum Erzeugen eines den aus der Primärdüse austretenden Gasstrahl umgebenden Koaxialstrahls, wobei die Primärdüse einen konvergenten Abschnitt und einen divergenten Abschnitt aufweist, welche in einem Radius des engsten Querschnitts r ^* aneinander angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur und die Außenkontur der Sekundärdüse numerisch so bestimmt wird, dass die konvektive Machzahl M _C oos zwischen der Umgebung (oo) und dem durch die Sekundärdüse erzeugten Sekundärstrahl (s) gleich ist mit der konvektiven Machzahl M _csp zwischen dem Sekundärstrahl (s) und dem durch die Primärdüse erzeugten Primärstrahl (p):

Die oben genannten Lösungen haben den Vorteil, dass gegenüber einer Einzeldüse ohne Sekundärstrahl die Überschalllänge des zentralen Sauerstoffstrahls, also des Primärstrahls, durch den parallelen, angepassten Sekundärstrahl um bis zu ca . 40 % vergrößert wird. Weiterhin zeigt für den Auslegungsfall der Sauerstoffstrahl innerhalb und außerhalb der Primärdüse keine oder wenn, dann nur sehr geringe Druckstörungen. Der Gasstrahl liegt damit sauber an der Düsenkontur an und kühlt die Wandung. Der Düsenverschleiß ist damit gering.

Aufgrund des längeren zentralen Sauerstoffstrahls ist mit einer besseren metallurgischen Arbeit zu rechnen, was die Produktivität erhöht und Kosten senkt. Weiterhin kann wegen des längeren zentralen Sauerstoffstrahls der Injektor gegenüber Injektoren mit kürzerem Sauerstoffstrahl bei gleicher metallurgischen Arbeit höher über dem Metallschmelzenlevel positioniert werden. Der Injektor ist dort besser vor Metall-/Schlackenspritzern geschützt.

Weiterhin kann bei Öfen mit großem Durchmesser der Injektor auch entfernt liegende Schmelzenregionen erreichen.

Bevorzugt sind die Primärdüse zur Verwendung mit Sauerstoff und die Sekundärdüse zur Verwendung mit CH oder LPG bestimmt. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Sekundärdüse als Unterschalldüse ausgelegt ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein mit der Sekundärdüse gekoppelter Heißgaserzeuger vorgesehen, welcher über die Sekundärdüse einen Sekundärstrahl an heißem Verbrennungsgas bereitstellt. Besonders bevorzugt ist der Heizgaserzeuger so steuerbar, dass die für die Auslegung der Sekundärdüse und der Primärdüse optimierte Menge an Abgas bei einer optimierten Abgastemperatur erreicht wird. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung entspricht die Innenkontur der Primärdüse der auf numerischem Wege mit einem modifizierten Charakteristikenverfahren ermittelten Kontur.

Hierbei wird die Innenkontur der Primärdüse durch die numerische Lösung der partiellen gasdynamischen Differentialgleichungen ermittelt, bei welchen die stationäre, isentrope, rotationssymmetrische Gasströmung mittels räumlich diskretisierten Charakteristikengleichungen unter Berücksichtigung entsprechender Kompatibilitätsbedingungen dargestellt ist. Besonders bevorzugt wird bei der Lösung der partiellen numerischen Differentialgleichungen der Einfluss einer reibungsbehafteten, wandnahen Grenzschichtströmung berücksichtigt. Weiterhin bevorzugt weist bei der Primärdüse das Verhältnis der Düsenlänge I zum Radius im engsten Querschnitt r ^* , also l/r ^* , zwischen 2,1 und 1 1 ,6, bevorzugt zwischen 2,1 und 8,3, noch bevorzugter zwischen 2,1 und 5,4, noch bevorzugter zwischen 2,1 und 5,0 liegt, und insbesondere Werte von 1 1 ,6, 8,3, 5,4, 5,0, 4,8, 4,2, 4,1 , 3,6, 3,3, 3,1 oder 2,1 auf.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen oder Anspruch 15.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung auf Grundlage der beigefügten Figuren noch einmal ausführlich erläutert. In den Figuren zeigen:

Bild 1 zeigt den Aufbau eines Injektors nach dem Stand der Technik

Bilder 2a - c zeigen den Injektor in unterschiedlichen Betriebsphasen. Bilder 3a und 3b zeigen die stömungstechnischen Bedingungen

Bild 4 zeigt eine typische Düsenkontur für einen entsprechend ausgelegten Injektor Bild 5 zeigt die gewählten Bezeichnungen in dem Injektor

Bild 6 zeigt eine erfindungsgemäß ausgelegte Injektorgeometrie Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Komponenten verwendet werden und teilweise auf die wiederholte Beschreibung verzichtet wird.

Die Bilder 1 und 2 waren bereits zum Stand der Technik diskutiert worden.

Bild 1 zeigt ein Beispiel eines kombinierten Brenner-Injektors zum Einsatz im Elektrolichtbogenofen mit zurückgezogener Primärdüse mit umgebender Koaxialdüse.

Die Bilder 2a, 2b und 2 c zeigen das Funktionsprinzip eines kombinierten Brenner-Injektors zum Einsatz im Elektrolichtbogenofen. Bild 2a zeigt den Pilotmodus zum Freihalten der Düsen vor Metallschmelzen- /Schlackespritzern.

Bild 2b zeigt den Brennermodus zum unterstützenden Einschmelzen von Schrott. Bild 2c zeigt den Injektormodus zur Entkohlung und Schaumschlackebildung

Bild 3a zeigt die strömungstechnischen Bedingungen und die gewählte Notation für einen Überschallstrahl, der aus einer Einzeldüse in Form eines Primärstrahls austritt. Diese Primärdüse besteht aus einem konvergenten Einström- und einem divergenten Ausströmbereich. Im Unterschallteil wird der Sauerstoff beschleunigt, erreicht im engsten Querschnitt, den Düsenhals (throat) erstmals Schallgeschwindigkeit (M = 1 ) und beschleunigt infolge der Expansion im divergenten Teil weiter. Dabei kühlt sich der Sauerstoff bis auf ca. -1 10°C ab, bevor er in die heiße Ofenumgebung eintritt und sich dort mit dem heißen Umgebungsgas vermischt. Typischerweise tritt der Sauerstoff mit zweifacher Schallgeschwindigkeit (M = 2) aus der Düse aus. Die Machzahl ist das Verhältnis aus lokaler Gasgeschwindigkeit u und Schallgeschwindigkeit a ( M = u/a mit a = jyRT ). Hierin ist γ der Isentropenexponent, R die spezifische Gaskonstante und T die Temperatur des Sauerstoffs. Zur Kennzeichnung der Bereiche in Bild 3 werden die thermodynamischen Zustandsgrößen (Druck p, Temperatur T) im Düseneintritt mit dem Index (0), im Düsenhals mit (*) und im Austritt mit (1 ) bezeichnet. Stromabwärts der Düse befindet sich heißes Ofengas (oo) mit typischen Temperaturen von 1650°C. Die wesentlichen Auslegungsgrößen für die einzelne Primärdüse sind der Eintrittdruck ρο,οχ, der Sauerstoff-Volumenstrom V _0,ox und der Umgebungsdruck p«.

Als Näherungsformel gilt für einen kalten Sauerstoffstrahl, der in eine kalte Umgebung mit ca. 20°C eintritt, dass die Länge des Überschallbereiches ca. das 10- bis 20-fache des Düsenaustrittsdurchmessers beträgt ( L ^* _p /di « 10 bis 20), vgl. Bild 3a.

Dahingegen gilt für einen kalten Sauerstoffstrahl, der in eine heiße Umgebung mit ca. 1650°C eintritt, dass die Länge des Überschallbereiches ca. das 20- bis 30- fache des Düsenaustrittsdurchmessers beträgt ( L ^* _p /di « 20 bis 30).

Nun kann aber selbst mit einer strömungstechnisch optimierten Primärdüse nur eine ganz bestimmte Überschalllänge L ^* _p erzielt werden. Aufgabe des Injektors mit Koaxialstrahl und Verfahren zu dessen Auslegung und Betrieb ist es, diese Überschalllänge L ^* _p durch einen mathematisch beschriebenen, zusätzlichen Hüllstrahl, im weiteren Verlauf auch Koaxialstrahl genannt, deutlich zu verlängern.

Aus der Literatur, siehe„Murakami E.; Papamoschou, D.: Mean flow development in dual-stream compressible jets, The American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) 40 (2002) 6, p. 1131-1138", ist bekannt, das ein den Primärstrahl (Index p - primary) umgebender Koaxialstrahl (Index s - secondary) die Länge des zentralen Überschallstrahls vergrößert. Dieser Koaxialstrahl wird in einer ringförmigen Düse erzeugt, die um die zentrale Primärdüse angeordnet ist. Dieses physikalische Phänomen wird im vorliegenden Fall auf den Injektor übertragen, jedoch mit einem völlig neu entwickelten Modellansatz. Während das Modell nach Murakami und Papamoschou (2002) davon ausgeht, dass beide Strahlen, d. h. Primärstrahl und Koaxialstrahl (Hüllstrahl) kalt sind und in eine kalte Umgebung eintreten, wird im vorliegenden, neuen Modell ein mathematischer Ansatz verwendet, bei dem

• der Primärstrahl kalt ist,

• der Sekundärstrahl (gleichbedeutend Koaxialstrahl, Hüllstrahl) heiß is und

• beide Strahlen, d. h. Primärstrahl und Sekundärstrahl, parallel und mit geringst möglichem Abstand zueinander in eine heiße Umgebung bei rd.

1650°C eintreten.

Damit kann der neue mathematische Modellansatz beispielsweise auf die Randbedingungen eines EAF angewendet werden. Das neue Modell, dass im Folgenden mit Koaxialstrahlmodell bezeichnet wird, wurde durch detaillierte numerische Simulationen mit Hilfe der DNS (Direct Numerical Simulation) validiert.

Die in Figur 3b gezeigte Koaxialdüse besteht aus einer zentralen Primärdüse (Überschall: M>1 ) und einer rotationssymmetrischen Düse (Unterschall M<1 ), der eigentlichen Koaxialdüse. Durch die Primärdüse fließt das kalte Primärgas (p), maßgeblich Sauerstoff, durch die Koaxialdüse heißes Verbrennungsgas, maßgeblich CO2.

Um den zentralen, kalten Sauerstoff-Überschallstrahl (Primärstrahl - p) wird ein ringförmiger, heißer Unterschall-Hüllstrahl bzw. Unterschall-Koaxialstrahl (Sekundärstrahl - s) aus bereits verbranntem Abgas mit hoher Geschwindigkeit parallel zum Primärstrahl injiziert, um den Primärstrahl vor der heißen Ofenatmosphäre zu schützen und die Scherschicht-Interaktionen zwischen Primärstrahl und heißer Ofenumgebung zu minimieren. Dieses Vorgehen ist in Bild 3b veranschaulicht.

Durch diese Maßnahme kann die Länge des Primärstrahls vergrößert werden. Hierbei ist das korrekte und hier erstmals mathematisch beschriebene Zusammenwirken zwischen Primärstrahl und Sekundärstrahl sehr entscheidend. Dieses Zusammenwirken wird durch folgende Parameter am Austritt der Sekundärdüse beschrieben bzw. beeinflusst:

Machzahl M _s des Koaxialstrahls (und damit die Austrittsgeschwindigkeit) Temperatur T _s des Koaxialstrahls

Verhältnis H _s /Di der Koaxialspalthöhe H _s zum Austrittsdurchmesser der Primärdüse Di

In einem mathematisch-numerischen Verfahren (DNS) wurden diese drei Parameter so bestimmt, dass beide Strahlen, d. h. Primärstrahl und Koaxialstrahl, exakt aufeinander abgestimmt sind und eine maximale Überschalllänge L ^* _p des kalten Primärstrahls gebildet wird. Die Überschalllänge L ^* _p der neuen Koaxialdüse ist um rd. 40 % größer als die einer Einzeldüse ohne Hüllstrahl. Hauptkriterium für das exakte Zusammenwirken von Primär- und Sekundärstrahl ist, dass die konvektive Machzahl M _COo s zwischen Umgebung (oo) und Sekundärstrahl (s) gleich sein muss mit der konvektiven Machzahl M _csp zwischen Sekundärstrahl (s) und Primärstrahl (p). Dies ist ein völlig neuer mathematischer Ansatz für die Auslegung von Koaxialstrahlen, die in eine heiße Umgebung eintreten. Bisherige mathematische Ansätze sind davon ausgegangen, dass die Geschwindigkeiten von Primär- und Sekundärstrahl gleich sein müssen. Damit wird für einen Injektor, vorzugsweise einen Sauerstoffinjektor, die physikalisch maximal mögliche Länge L ^* _p des Überschallbereiches erweitert. Zu diesem Zweck wird ein sekundärer Hüllstrahl (Koaxialstrahl) um den Primärstrahl gelegt, welcher den Primärstrahl vor dem umgebenden Ofengas (CO, CO2, Luft, etc.) abkapselt und schützt. Es wurde ein völlig neues mathematisches Hüllstrahlmodell (Koaxialstrahlmodell) entwickelt, das zur Injektorauslegung verwendet wird. Eine spezielle Klasse von Injektoren, die mit diesem Koaxialstrahlmodell ausgelegt wurden, wird geschützt. Die Anwendung bezieht sich in erster Linie auf Injektoren, hier auch kombinierte Brenner-Injektoren, für den Sauerstoffeintrag im EAF. Grundsätzlich ist die Methode aber auf jeden Injektor mit Hüllstrahl übertragbar.

Die Anwendung des Koaxialstrahlmodells beruht auf der bereits optimalen Auslegung der zentralen Primärdüse. Im ersten Schritt wird die glockenförmige Kontur der Primärdüse, d. h. rotationssymmetrisch auf Basis eines rein numerischen Verfahrens, das auf einem modifizierten Charakteristikenverfahren aufbaut, ermittelt. Durch die glockenförmige Kontur ist gewährleistet, dass die Primärdüse störungsfrei und verschleißarm arbeitet, der Strahlimpulsstrom bzw. die Kraft am Düsenaustritt maximal ist und bereits auf diese Weise eine relativ große Überschalllänge des Sauerstoffstrahls realisiert wird.

Im zweiten Schritt erfolgt dann die Auslegung der Sekundärdüse (Koaxialdüse). Berechnet werden Innen- und Außenkontor der Sekundärdüse sowie die erforderlichen Mengen an Brenngas (CH , LPG, etc.), Luft und/oder Sauerstoff, welche zur Koaxialdüse zugegeben, innerhalb des Injektors gezündet und verbrannt werden müssen. Das heiße Verbrennungsgas tritt mit Temperaturen zwischen rd. 500°C und 1000°C aus der Sekundärdüse aus. Die Auslegungsprozedur beruht darauf, dass alle Größen so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die maximal mögliche Überschalllänge L ^* _p des Primärstrahls ausbildet. Gemäß dem ersten Schritt wird die optimale, glockenförmige, rotationssymmetrische Form der Primärdüse auf der Basis eines rein numerischen Verfahrens, das auf einem modifizierten Charakteristikenverfahren aufbaut, ermittelt. Diese Methode berücksichtigt sowohl den Reibungseinfluss in der Strömungsgrenzschicht als auch die Verdrängungswirkung der Strömungsgrenzschicht auf die Kernströmung. Mehrdimensionale Strömungseffekte werden also berücksichtigt. Durch die glockenförmige Kontur ist gewährleistet, dass die Überschalldüse störungsfrei und verschleißarm arbeitet, der Strahlimpuls am Düsenaustritt maximal ist und eine sehr lange Überschalllänge des Gasstrahls realisiert wird. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist, dass die Düsenlänge bei verbesserter Effizienz noch um ca. 20 - 30 % reduziert werden und Kupfermaterial gespart werden kann. Das Gewicht der Blaslanze beziehungsweise des Injektors wird deutlich reduziert, was den Einbau des Aggregates vereinfacht.

Zu diesem Zweck wird die ideale Wandkontur der Überschalldüse für das jeweilige metallurgische Aggregat mit einem speziellen, modifizierten Charakteristikenverfahren auf rein numerischem Wege ermittelt. Die Charakteristikenmethode ist ein Verfahren zur Lösung der partiellen, gasdynamischen Differentialgleichungen. Dabei werden die Mach ^' schen Linien, d.h. die Linien schwacher Druckstörungen, die sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzen und die unter einem definierten Winkel zum lokalen Geschwindigkeitsvektor angeordnet sind, als Grundlage für die so genannten rechts- und linkslaufenden Charakteristiken angesetzt. Entlang dieser Charakteristiken ist die Lösung der partiellen Differentialgleichungen bekannt. Das Charakteristikenverfahren wird im vorliegenden Fall mit einer Grenzschichtkorrektur gekoppelt, wodurch der impulsvermindernde Einfluss der Strömungsgrenzschicht in der Primärdüse berücksichtigt wird. Mit Hilfe dieses rein numerischen Verfahrens wird eine Klasse von Düsenkonturen entworfen die zum Einsatz in metallurgischen Anlagen gut geeignet sind. Die typische Kontur einer Überschalldüse besteht aus einem konvergenten Unterschallteil (subsonic part) und einem divergenten Überschallteil (supersonic part). Häufig bezeichnet man den Überschallteil auch als Expansionsteil.

Innerhalb der Grenzschicht wird das Gas von der maximalen Geschwindigkeit am Grenzschichtrand bis auf die Geschwindigkeit Null an der Wand abgebremst. Direkt an der Wand gilt die so genannte Haftbedingung (no-slip-condition). Die einzelnen Bereich der Düsenströmung (M < 1 , M = 1 , M > 1 ) sind in der Figur eingezeichnet.

Der mathematische Weg des gesamten Verfahrens ist komplex und wird daher hier nur ansatzweise beschrieben. Die Lösung basiert u.a. auf folgenden Gleichungen: a) Grundgleichung der stationären, isentropen, rotationssymmetrischen Gasströmung.

, 2 2 du , 2 2 dv . du cH> ₂ v

(u - a )— + (v - a )— + uv(— +— ) = a - ox dr dr dx r u,v: Strömungsgeschwindigkeit in Axial- und Radialrichtung

x,r: Axial- und Radialkoordinate

a: Schallgeschwindigkeit b) Numerische Lösung der Charakteristikengleichungen und der Kompatibilitätsbedingungen entlang der Charakteristiken.

Charakteristikengleichungen: — |c = tan(9 - a) und

dx ) f — |c ⁺ = tan(9 + a)

dxJ c-, c+: rechtslaufende und linkslaufende Charakteristiken

Θ: Winkel zwischen dem lokalen Geschwindigkeitsvektor und dem Koordinatensystem; Strömungswinkel

a: Mach ^' scher Winkel

Kompatibilitätsbedingungen entlang der Charakteristiken:

M: Machzahl c) Schalllinie und Initiallinie im Düsenhals werden mit den Störpotentialgleichungen für rotationssymmetrische kompressible Strömungen ermittelt. φ r

(γ + ϊ)φ χφ xx -<p rr = 0

r

φ: Störpotential

v: Isentropen-Koeffizient d) Die Strömungsgeschwindigkeiten werden mit der kritischen Schallgeschwindigkeit a ^* berechnet, d. h. ι = φ' _χ und ν' = φή .

, , (y + 1)k ² r ² . . , (y + 1)k ² xr (y + 1) ² k ³ r ³ u (x,r) = kx +—— und v(x,r) =—— +——

' 4 ' 2 16

k: Konstante Die Initialwerte werden von der Initiallinie bis zur Initial-Charakteristik berechnet. Hierbei wird ein spezielles Iterationsverfahren zur Bestimmung der Gitterpunkte und der zugehörigen Strömungsparameter sowie zur Berücksichtigung der Krümmung der Charakteristiken eingesetzt. e) Der Expansionsteil der Überschalldüse mit positiver Konturkrümmung wird von der Initialcharakteristik bis zur letzten Expansionscharakteristik berechnet. Hierbei wird eine spezielle Kontur-Funktion angesetzt der Form:

r = a + bx + cx ² und — = tan9 = b + 2cx

dx

a,b,c: Konstanten

Letztlich werden die Strömungsgrößen auf der Basis der Charakteristiken und der Kontur-Funktion ermittelt. Die Auslegungs-Machzahl auf der Strahlachse wird dabei kontrolliert. f) Der Expansionsteil der Überschalldüse mit negativer Konturkrümmung wird durch die letzte Expansionscharakteristik und die Mach ^' sche Linie vom Achsenpunkt festgelegt. Basis sind die so genannten Backward-Charakteristiken c ^" und die Wandstromlinie. g) Für gegebene Werte von r _k , Ri, R ₂ und ß wird der Unterschallteil der Überschalldüse durch spezielle Konturfunktionen in Form von Kreisbögen festgelegt, siehe Figur 4. r = f (x _k ,r _k ,R ₂ )für x < X2

r = f (xi,X2,ri,r ₂ )für x2 < x < xi

r = f (xt,r _t ,Ri,R2) für xi < x < x _t Als Ergebnis der iterativen Rechnung erhält man eine optimierte, glockenförmige Düsenkontur.

Im zweiten Schritt wird, ausgehend von der entsprechend optimierten, glockenförmigen Düsenkontur, die Geometrie der Sekundärdüse bestimmt.

Der Strahl der Sekundärdüse, der auch als Koaxialstrahl, Hüllstrahl oder Ringstrahl bezeichnet wird, schützt den innen liegenden, zentralen Überschallstrahl der Primärdüse, da die Interaktionen in den rotationssymmetrischen Scherschichten verringert und der Primärstrahl dadurch stabiler wird.

Der zu Grunde liegende physikalische Mechanismus besteht darin, die Dichte des Sekundärstrahls soweit wie möglich gegenüber der Dichte des Primärstrahls abzusenken. Dies wird erreicht, indem auf der Sekundärseite ein heißes Abgas niedriger Dichte verwendet wird. Die Anpassung der Dichte über Temperatur alleine ist jedoch nicht zielführend, da bei falscher Auslegung die gasförmigen Scherschichten (Primärstrahl - Sekundärstrahl - Umgebung) instabil werden, sich aufrollen und dadurch die effektive Strahllänge verkürzen.

Der wichtigste Aspekt bei der Auslegung der Injektoren mit Koaxialstrahl besteht darin, dass nicht die Austrittsgeschwindigkeiten zwischen Primär- und Sekundärdüse gleich sein müssen, sondern die entsprechenden konvektiven Machzahlen. Die konvektive Machzahl M _c beschreibt das Verhältnis aus der Strömungsgeschwindigkeit u der großräumigen Wirbel, die konvektiv stromabwärts transportiert werden, zur lokalen Schallgeschwindigkeit a.

Eine Vielzahl von DNS-Simulationen hat gezeigt, dass für die bereits genannten Größen • Machzahl M _s des Koaxialstrahls

• Temperatur T _s des Koaxialstrahls

• Verhältnis H _s /Di der Koaxialspalthöhe H _s zum Austrittsdurchmesser der Primärdüse Di ein Optimum existiert, bei dem sich die maximale Länge L ^* _p des Primärstrahls einstellt. Das neue Optimierungs-Kriterium besagt, dass die konvektive Machzahl M _C o _o s zwischen Umgebung (oo) und Sekundärstrahl (s) gleich sein muss mit der konvektiven Machzahl M _csp zwischen Sekundärstrahl (s) und Primärstrahl (p):

Zentrales Optimierungskriterium : M _CK)S = M _csp

Die berechnete Düsenkontur eines nach dem neuen Verfahren ausgelegten Injektors ist in Bild 4 dargestellt. Die innere Primärdüse (Primärdüse, kalter Sauerstoff) besteht aus dem konvergenten Unterschallteil und dem divergenten Überschallteil mit zunächst positiver und im weiteren x-Verlauf negativer Krümmung.

Ausgangspunkt des neuen Verfahrens ist die Innenkontur dieser Primärdüse, die mit dem Charakteristikenverfahren ausgelegt wurde. Die Innenkontur ist die optimale Kontur, um einen langen Überschallbereich L ^* _p zu erzeugen.

Darauf aufsetzend bestimmt das neue Verfahren numerisch die Innenkontur und die Außenkontur der äußeren Sekundärdüse (Koaxialdüse, heißes Abgas) und zwar in der Form, dass sowohl die gesamte Geometrie als auch die thermischen Prozessgrößen des Koaxialgases so berechnet werden, dass die Überschalllänge L ^* _p des Primärstrahls nochmals verlängert wird.

In Bild 5 sind folgende Bezeichnungen für das neue Koaxialstrahlmodell gewählt: Kalter Primärstrahl (p) z. B. Sauerstoff, umgeben von einem rotationssymmetrischen Ringspalt mit heißem Sekundärstrahl (s), z. B. Verbrennungsgas, beim Eintritt in eine heiße Ofenumgebung. Der mathematische Weg des numerischen Verfahrens ist komplex und wird hier nur ansatzweise beschrieben, zur Veranschaulichung dient Bild 5. Die Lösung basiert u. a. auf folgenden Gleichungen: a) Bestimmung der konvektiven Machzahlen:

Einzelstrahl (Sin le-Jet): M _cot , _p zwischen Umgebung und Primärstrahl

Koaxialstrahl: M _coos zwischen Umgebung und Sekundärstrahl sowie M zwischen Sekundärstrahl und Primärstrahl

M _c 14

(1 + p» / ps )(Y» / Ys ) ^{1 / 4} ' ^CS (1 + ps pp )(YS / Y _P ) ¹

Dichte, Strömungsgeschwindigkeit und Isentropenexponent

Umgebung, Sekundär- und Primärstrahl

Machzahl der Strömung b) Bestimmung des optimalen Betriebsparameters für den Koaxialstrahl, gültig für kalten Primärstrahl, heißen Sekundärstrahl und heiße Umgebung.

Neues Optimierungs-Kriterium: M csp

Machzahl des Sekundärstrahls:

Beispielsweise Vereinfachung für γ = const u _p (a _s + a«,)

3s + 3 _s 3 _s (3 _p + 23 _s + c) Bestimmung des neuen Korrelationsmodells für den Koaxialstrahl, gültig für kalten Primärstrahl, heißen Sekundärstrahl und heiße Umgebung.

Funktionen der konvektiven Machzahl:

M M s MQ _O Q _S ,

Schalter- und Geometrie-Funktionen: - F _03p ) , F _h = 1 + a(H _s / D _p ) ,

Funktion der Strahllänge: cpF _n - exp[- 9 - abs(F _p )]

-Single

α,β, σ, φ, θ : Konstanten, müssen so bestimmt werden, das L ^* _p maximal ist

L ^* _S i _{n g} i _e : Überschallstrahllänge für Einzelstrahl

L ^* _p : Überschallstrahllänge für Koaxialstrahl d) Injektormodus:

Zur Erzeugung des heißen Hüllgases wird Brennstoff (CH , LPG, etc.) mit Luft vermischt und innerhalb des Injektors intern verbrannt. Das heiße, verbrannte Abgas bildet den heißen Hüllstrahl. Der Algorithmus berechnet in Abhängigkeit der Brennstoffart die notwendige Menge an Brennstoff und Luft, um a) die optimale Menge an Abgas bei b) optimaler Abgastemperatur zu erzielen.

m _ai .

Stöchiometrischer Koeffizient: λ

mair,st

rh _air : Massenstrom der Luft

m _{air st} : Massenstrom der Luft bei stöchiometrischer

Verbrennung Beispiel: Brennstoff CH

Massenbilanz:

CH ₄ + + rn _H2 oH ₂ 0 + rn ₀₂ ( ^λ - I 2 + ιτΐΝ2 ^λΝ 2 m : Molmassen-Verhältnis der Komponente

Energiebilanz:

- T ₀ )

+ rn ₀₂ (λ - 1)c _p,02 ^s ₀ (T _s - T ₀ ) + Γη _Ν2 λο _ρ,Ν2 |} ^» (T _s - T ₀ )

- Γη _Ν2 λο _ρ,Ν2 1} ₀ ² (T ₂ - To ) - Ah™ ⁴ (T ₀ )

c _p : spezifische Wärmekapazität

Ah _u : Heizwert

Q _v : Wärmeverluste

T ₀ : Referenztemperatur

Ti : statische Eintrittstemperatur des Brennstoffs

T ₂ : statische Eintrittstemperatur der Luft

T _s : statische Austrittstemperatur des Sekundärstrahls

Massenstroms von Brennstoff und Sekundärstrahl:

λ -» m _C H ₄ = rno ₂ air , rh _s = m _air + m _C H ₄

e) Brennermodus:

Beispiel: Brennstoff CH :

Power : Leistung

V : Volumenstrom p ^N : Normdichte

M _Y : Molmasse der Y-Komponente f) Mit den berechneten Strömungsparametern des Sekundärstrahls und für gegebene Werte von R _s0 , Ri, R ₂ und α wird die äußere Koaxialdüse durch spezielle Konturfunktionen (Kreisbögen, Geraden, etc.) festgelegt, so dass eine möglichst ungestörte Unterschallströmung im Hüllgaskanal entsteht. Wesentliches Merkmal des Hüllgaskanals ist, dass das heiße Sekundärgas horizontal aus der Hüllgasdüse, d.h. parallel zum Primärgas austritt.

Im Folgenden wird exemplarisch eine typische Injektorauslegung vorgestellt. Die Randbedingungen, die für die Berechung vorgegeben werden, sind in diesem speziellen Fall: Injektormodus

Sauerstoff-Eint ttsdruck in die Primärdüse: po = 10 bar

Sauerstoffvolumenstrom der Primärdüse: V ₀ = 50 Nm ³ /min

Umgebungsdruck im EAF: p« = 1 .013 bar Brennermodus

Brennerleistung: P = 6.00 MW

Als Ergebnis der Berechnung erhält man einen strömungstechnisch optimierten Injektor, bestehend aus zentraler Primärdüse und umgebender Hüllgas- bzw. Ringdüse.

Bild 6 zeigt die Geometrie des Injektors für den besagten Injektor- oder Brennermodus, Tabelle 1 enthält die zugehörigen Axial- und Radialkoordinaten der Koaxialdüse. Zu erkennen ist, das Primärgas und Sekundärgas parallel zueinander strömen. Dies ist das wesentliche Merkmal des mathematisch abgeleiteten Koaxialstrahlmodells.

Tabelle 2 zeigt die für diese Düse berechneten strömungs- und thernnodynannischen Kennzahlen. Gegenüber der Einzelstrahldüse wird die Länge L ^* _p des Überschallbereiches bei der Koaxialdüse um rd. 45% erhöht.

Es ergibt sich daraus eine Primärdüse und eine Sekundärdüse, die durch folgende Schar von Düsenformen in deren jeweiligenn Auslegungsfall definiert sind: Injektor mit Koaxialstrahl, beispielsweise für einen Elektrolichtbogenofen

(EAF)

• Primärdüse

Gas: Sauerstoff

Eintrittsdruck in die Primärdüse: po = 4 - 12 bar

Eintrittsvolumenstrom : V ₀ = 20 - 100 Nm ³ /min

• Sekundärdüse

Gas: CH ₄ , LPG

Machzahl am Düsenaustritt: M _s = 0.3 - 0.7

Temperatur am Düsenaustritt: T _s = 800 - 1200 K

Spalthöhe am Düsenaustritt: H _s = 4 -10 mm

Daraus ergibt sich folgende Schar an Formen der Koaxialdüse (für p« = 1 .013 bar = konst.):

Auslegungsfall definiert sind:

4 20 12.0 14.0 50 ±20 0.5 ±0.2 1000 ±200 7±3

4 200 39 44.0 160 ±20 0.5 ±0.2 1000 ±200 7±3

14 20 6 10.0 50 ±20 0.5 ±0.2 1000 ±200 7±3

14 200 21 33.0 160 ±20 0.5 ±0.2 1000 ±200 7±3

*) Bezeichnungen siehe Bild 3a

Tabelle 1: Axialkoordinate (x) und Radialkoordinate (r) der in Bild 6

Koaxialdüse, die mit dem neuen Koaxialstrahlmodell ausgelegt wurde

-56.55 38.00 -56.55 62.00 -56.55 18.61

-55.75 38.00 -55.75 62.00 -55.75 18.49

-54.94 38.00 -54.94 62.00 -54.94 18.38

-54.14 38.00 -54.14 62.00 -54.14 18.26

-53.34 38.00 -53.34 62.00 -53.34 18.13

-52.54 38.00 -52.54 62.00 -52.54 18.01

-51.74 38.00 -51.74 62.00 -51.74 17.87

-50.94 38.00 -50.94 62.00 -50.94 17.73

-50.13 38.00 -50.13 62.00 -50.13 17.60

-49.33 38.00 -49.33 62.00 -49.33 17.46

-48.53 38.00 -48.53 62.00 -48.53 17.32

-47.73 38.00 -47.73 62.00 -47.73 17.18

-46.93 38.00 -46.93 62.00 -46.93 17.05

-46.13 38.00 -46.13 62.00 -46.13 16.91

-45.33 38.00 -45.33 62.00 -45.33 16.77

-44.52 38.00 -44.52 62.00 -44.52 16.63

-43.72 38.00 -43.72 62.00 -43.72 16.49

-42.92 38.00 -42.92 62.00 -42.92 16.35

-42.12 38.00 -42.12 62.00 -42.12 16.22

-41.32 38.00 -41.32 62.00 -41.32 16.08

-40.52 38.00 -40.52 62.00 -40.52 15.95

-39.71 38.00 -39.71 62.00 -39.71 15.82

-38.91 38.00 -38.91 62.00 -38.91 15.70

-38.1 1 38.00 -38.1 1 62.00 -38.1 1 15.57

-37.31 38.00 -37.31 62.00 -37.31 15.45

-36.51 38.00 -36.51 62.00 -36.51 15.33

-35.71 38.00 -35.71 62.00 -35.71 15.22

-34.90 38.00 -34.90 62.00 -34.90 15.10

-34.10 38.00 -34.10 62.00 -34.10 14.99

-33.30 38.00 -33.30 62.00 -33.30 14.89

-32.50 38.00 -32.50 62.00 -32.50 14.78

-31.70 38.00 -31.70 62.00 -31.70 14.68

-30.90 38.00 -30.90 62.00 -30.90 14.58

-30.10 38.00 -30.10 62.00 -30.10 14.48

-29.29 38.00 -29.29 62.00 -29.29 14.39

-28.49 38.00 -28.49 62.00 -28.49 14.30

-27.69 38.00 -27.69 62.00 -27.69 14.21

-26.89 38.00 -26.89 62.00 -26.89 14.12

-26.09 38.00 -26.09 62.00 -26.09 14.04

-25.29 38.00 -25.29 62.00 -25.29 13.96

-24.48 38.00 -24.48 62.00 -24.48 13.88 -23.68 38.00 -23.68 62.00 -23.68 13.80

-22.88 38.00 -22.88 62.00 -22.88 13.73

-22.08 38.00 -22.08 62.00 -22.08 13.66

-21.28 38.00 -21.28 62.00 -21.28 13.59

-20.48 38.00 -20.48 62.00 -20.48 13.52

-19.67 38.00 -19.67 62.00 -19.67 13.46

-18.87 38.00 -18.87 62.00 -18.87 13.40

-18.07 38.00 -18.07 62.00 -18.07 13.34

-17.27 38.00 -17.27 62.00 -17.27 13.29

-16.47 38.00 -16.47 62.00 -16.47 13.24

-15.67 38.00 -15.67 62.00 -15.67 13.19

-14.87 38.00 -14.87 62.00 -14.87 13.14

-14.06 38.00 -14.06 62.00 -14.06 13.10

-13.26 38.00 -13.26 62.00 -13.26 13.05

-12.46 38.00 -12.46 62.00 -12.46 13.02

-1 1.66 38.00 -1 1.66 62.00 -1 1.66 12.98

-10.86 38.00 -10.86 62.00 -10.86 12.95

-10.06 38.00 -10.06 62.00 -10.06 12.91

-9.25 38.00 -9.25 62.00 -9.25 12.89

-8.45 38.00 -8.45 62.00 -8.45 12.86

-7.65 38.00 -7.65 62.00 -7.65 12.84

-6.85 38.00 -6.85 62.00 -6.85 12.82

-6.05 38.00 -6.05 62.00 -6.05 12.80

-5.25 38.00 -5.25 62.00 -5.25 12.78

-4.44 38.00 -4.44 62.00 -4.44 12.77

-3.64 38.00 -3.64 62.00 -3.64 12.76

-2.84 38.00 -2.84 62.00 -2.84 12.75

-2.04 38.00 -2.04 62.00 -2.04 12.75

-1.24 38.00 -1.24 62.00 -1.24 12.74

-0.44 38.00 -0.44 62.00 -0.44 12.74

0.36 38.00 0.36 62.00 0.36 12.75

1.17 38.00 1.17 62.00 1.17 12.75

1.97 38.00 1.97 62.00 1.97 12.76

2.77 38.00 2.77 62.00 2.77 12.77

3.57 38.00 3.57 62.00 3.57 12.79

4.37 38.00 4.37 62.00 4.37 12.80

5.17 38.00 5.17 62.00 5.17 12.82

5.98 38.00 5.98 62.00 5.98 12.85

6.78 38.00 6.78 62.00 6.78 12.87

7.58 38.00 7.58 62.00 7.58 12.90

8.38 38.00 8.38 62.00 8.38 12.93 9.18 38.00 9.18 62.00 9.18 12.96

9.98 38.00 9.98 62.00 9.98 13.00

10.79 38.00 10.79 62.00 10.79 13.03

1 1.59 38.00 1 1.59 62.00 1 1.59 13.08

12.39 38.00 12.39 62.00 12.39 13.12

13.19 38.00 13.19 62.00 13.19 13.17

13.99 38.00 13.99 62.00 13.99 13.21

14.79 38.00 14.79 62.00 14.79 13.27

15.59 38.00 15.59 62.00 15.59 13.32

16.40 38.00 16.40 62.00 16.40 13.38

17.20 38.00 17.20 62.00 17.20 13.44

18.00 38.00 18.00 62.00 18.00 13.50

18.80 38.00 18.80 62.00 18.80 13.56

19.60 38.00 19.60 62.00 19.60 13.63

20.40 38.00 20.40 62.00 20.40 13.70

21.21 38.00 21.21 61.98 21.21 13.78

22.01 38.00 22.01 61.96 22.01 13.85

22.81 38.00 22.81 61.92 22.81 13.93

23.61 38.00 23.61 61.86 23.61 14.01

24.41 38.00 24.41 61.80 24.41 14.10

25.21 38.00 25.21 61.72 25.21 14.18

26.02 38.00 26.02 61.63 26.02 14.27

26.82 38.00 26.82 61.52 26.82 14.37

27.62 38.00 27.62 61.40 27.62 14.46

28.42 38.00 28.42 61.27 28.42 14.56

29.22 38.00 29.22 61.13 29.22 14.65

30.02 38.00 30.02 60.97 30.02 14.75

30.82 38.00 30.82 60.80 30.82 14.84

31.63 38.00 31.63 60.61 31.63 14.94

32.43 38.00 32.43 60.41 32.43 15.04

33.23 38.00 33.23 60.20 33.23 15.13

34.03 38.00 34.03 59.97 34.03 15.22

34.83 38.00 34.83 59.73 34.83 15.32

35.63 38.00 35.63 59.47 35.63 15.41

36.44 37.99 36.44 59.20 36.44 15.50

37.24 37.96 37.24 58.91 37.24 15.59

38.04 37.92 38.04 58.60 38.04 15.68

38.84 37.86 38.84 58.28 38.84 15.76

39.64 37.78 39.64 57.95 39.64 15.85

40.44 37.69 40.44 57.60 40.44 15.93

41.25 37.58 41.25 57.23 41.25 16.02 42.05 37.45 42.05 56.84 42.05 16.10

42.85 37.31 42.85 56.44 42.85 16.18

43.65 37.15 43.65 56.01 43.65 16.26

44.45 36.97 44.45 55.57 44.45 16.33

45.25 36.78 45.25 55.1 1 45.25 16.41

46.05 36.57 46.05 54.63 46.05 16.48

46.86 36.34 46.86 54.13 46.86 16.55

47.66 36.09 47.66 53.60 47.66 16.62

48.46 35.83 48.46 53.06 48.46 16.69

49.26 35.54 49.26 52.49 49.26 16.76

50.06 35.24 50.06 51.90 50.06 16.82

50.86 34.91 50.86 51.28 50.86 16.88

51.67 34.57 51.67 50.63 51.67 16.94

52.47 34.20 52.47 49.96 52.47 17.00

53.27 33.81 53.27 49.26 53.27 17.06

54.07 33.40 54.07 48.53 54.07 17.12

54.87 32.97 54.87 47.76 54.87 17.17

55.67 32.51 55.67 46.96 55.67 17.23

56.48 32.05 56.48 46.16 56.48 17.28

57.28 31.59 57.28 45.36 57.28 17.33

58.08 31.13 58.08 44.56 58.08 17.37

58.88 30.66 58.88 43.76 58.88 17.42

59.68 30.20 59.68 42.96 59.68 17.46

60.48 29.74 60.48 42.15 60.48 17.51

61.28 29.29 61.28 41.35 61.28 17.55

62.09 28.86 62.09 40.55 62.09 17.59

62.89 28.45 62.89 39.75 62.89 17.62

63.69 28.05 63.69 38.95 63.69 17.66

64.49 27.68 64.49 38.15 64.49 17.70

65.29 27.32 65.29 37.41 65.29 17.73

66.09 26.97 66.09 36.71 66.09 17.76

66.90 26.65 66.90 36.06 66.90 17.79

67.70 26.34 67.70 35.46 67.70 17.82

68.50 26.04 68.50 34.90 68.50 17.85

69.30 25.77 69.30 34.37 69.30 17.87

70.10 25.50 70.10 33.88 70.10 17.89

70.90 25.25 70.90 33.43 70.90 17.92

71.71 25.02 71.71 33.00 71.71 17.94

72.51 24.80 72.51 32.61 72.51 17.96

73.31 24.59 73.31 32.25 73.31 17.98

74.1 1 24.40 74.1 1 31.91 74.1 1 18.00 74.91 24.22 74.91 31.60 74.91 18.01

75.71 24.06 75.71 31.32 75.71 18.03

76.51 23.91 76.51 31.06 76.51 18.04

77.32 23.77 77.32 30.82 77.32 18.05

78.12 23.65 78.12 30.61 78.12 18.06

78.92 23.54 78.92 30.42 78.92 18.07

79.72 23.44 79.72 30.26 79.72 18.08

80.52 23.36 80.52 30.12 80.52 18.09

81.32 23.29 81.32 30.00 81.32 18.10

82.13 23.23 82.13 29.90 82.13 18.1 1

82.93 23.18 82.93 29.83 82.93 18.1 1

83.73 23.15 83.73 29.77 83.73 18.12

84.53 23.13 84.53 29.74 84.53 18.12

85.33 23.13 85.33 29.73 85.33 18.13

Tabelle 2: Strömungs- und thermodynamische Randbedingungen für die in Bild 6 und Tabelle 1 gezeigte Koaxialdüse, die mit dem neuen Koaxialstrahlmodell ausgelegt wurde. Injektormodus: Sauerstoff-Eintrittsdruck Primärdüse: p ₀ = 10 bar

Sauerstoff-Volumenstrom Primärdüse: V ₀ = 50 Nm ³ /min

Umgebungsdruck: ρ„ = 1.013 bar

Brennermodus: Brennerleistung: P = 6.00 MW

Bezugszeichenliste: 1 -1 Kühlwasserleitungen

1 -2 Kühlwasserkanal

-3 zurückversetzte Lavaldüse

1 -4 Brenner/Injektordüse

1 -5 Flammengenerator

1 -6 Luftleitung

1 -7 Natürliche Gasleitung

1 -8 Sauerstoffleitung

1 -9 Schnellverbinder 2a-1 Heißgas-Erzeuger

2a-2 verdichtete Luft

2a-3 Heißer Mantel - (Hüll-) Strahl

2b-1 Flamme

2c-1 Heißgas-Erzeuger

2c-2 verdichtete Luft

2c-3 Heißer Mantelstrahl

2c-4 zentraler mittiger Überschallstrahl

3a-1 heiße Ofenumgebung

3a-2 Unterschall

3a-3 Überschall (L _p )

3a-4 Strahlkern

3a-5 Primärgas (p) 3b-1 Lavaldüse Innenkontur

3b-2 Koaxialspalt Außenkontur

3b-3 Koaxialspalt Innenkontur

3b-4 Sekundärgas (s)

3b-5 Primärgas (p)

4-1 Düsenwand (Cu)

4-2 Koaxialspalt Außenkontur

4-3 Sekundärgas (s)

4-4 Düsenwand (Cu)

4-5 Koaxialspalt Innenkontur

4-6 Primärgas (p)

4-7 Lavaldüse Innenkontur

4-8 Symmetrieachse

4-9 Umgebung ( oo )

5-1 Heißer Sekundärstrahl (s)

5-2 Kalter Primärstrahl (p)

5-3 Heißer Sekundärstrahl (s) 5-4 Heiße Umgebung ( oo )

Koaxialspalt außen Koaxialspalt innen Lavaldüse innen