Brevet FR2026912A1 — publié le 19700925

, . La présente invention est relative à un appareil pour le mélange d'au moins deux agents fluides, en particulier pour préparer Ses mélanges combustibles d'agents fluides, qui présente au moins deux ajutages coaxiaux et qui résout le problème d'établir 5 un mélange particulièrement intime des particules de deux agents fluides ou plus, par exemple de mélanger des liquides très finement pulvérisés intimement avec un gaz ou d'établir à partir de deux gaz ou plus un mélange très içitime. Bien que le mélange intime d'agents fluides non combustibles constitue un domaine d'utili-10 sation important de l'invention, son domaine de mise en oeuvre principal, réside dans la production de mélanges combustibles d'agents fluides, à savoir de liquides combustibles ou de gaz combustibles avec l'air comburant ou de combustion. Lors de la préparation de tels mélanges combustibles, 15 la très fine pulvérisation du liquide combustible et son mélange très intime ou celui du gaz combustible avec l'air nécessaire à la combustion est d'une importance extrême pour accélérer fortement le déroulement dans le temps des réactions chimiques et obtenir un rendement élevé de la combustion. 20 Des appareils pour la pulvérisation de liquides avec un pulvérisateur sous pression , dans lequel le liquide est amené sous pression et par l'intermédiaire de canaux Cangentiels à une chambre et sort de cette dernière par l'intermédiaire d'une ouverture centrale, sous la forme d'un cône de pulvérisation, sont con-25 nus et provoquent bien un bon mélange du liquide pulvérisé avec IV air l'entourant. 15 ne fonctionnai;cependant bien que lorsqu'on les met en oeuvre sous une pleine charge et avec une pression élevée. Si 1'on cherche cependant à réduire la quantité de liquide pulvérisé, comme ceci est par exemple nécessaire pour régler la puissance 30 de combustion d'un brûleur à pulvérisation pour combustible liquide, il ne se produit plus, à cause de la réduction de pression, une pulvérisation suffisante , de telle sorte que de tels appareils ne sont pas utilisables dans les installations qui exigent, aux fins du réglage , une forte réduction du liquide pulvérisé. 35 L'invention permet à présent de résoudre le problème de la conception d'un appareil pour le mélange intensif d'agents fluides du genre précité de telle sorte que l'on puisse régler dans un sens de diminution et avec un bon rendement , jusqu'à eiviron ORlGIHAfeiNA^ à 69 44387 2 2026912 10% du débit maximum, la qualité de la pulvérisation ne sufciss-!nt alors aucune perturbation. L'objet de l'invention est un appareil du genre précité qui résout le problème posé grâce au fait qu'un gaz ,en parti-5 culier un gaz combustible , ou un liquide divisé en fines particules par l'effet de la force centrifuge, en particulier un liquide combustible , s'écoule à partir d'un ajutage et cet agent fluide s'écoulant se trouve au voisinage d'un gaz s'écoulant sous pression à partir d'un second ajutage et qui est soumis , grâce à un généra-10 teur d'oscillations à des oscillations sonores supérieures à 3000 hertz ou à des oscillations ultrasonores , ou qui s'écoule avec une vitesse supercritiquë. D'autres détails et particularités de l'invention res-sortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non 15 limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1 et 2 représentent chacune, en coupe longitudinale axiale, un appareil dans lequel un liquide est finement pulvérisé et mélangé intimement avec un agent gazeux. Les figures 3 et 4 représentent chacune' , en une vue 20 en coupe longitudinale axiale, un appareil dans lequel deux agents gazeux sont mélangés très intimement. . ' La figure 5 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un appareil dans lequel un liquide est finement pulvérisé et mélangé- avec un agent gazeux. 25 La figure 6 est une. vue en coupe longitudinale axiale d'un appareil dans lequel un liquide est finement pulvérisé et peut être mélangé à deux agents gazeux différents, soit individuellement , soit en commun. L'appareil suivant la figure 1 possède un carter 1, 30 dans lequel est placée une partie centrale essentiellement tubu-laire 2 qui est réalisée en tant que. pulvérisateur sous pression normal . Le liquide sous pression s'écoule dans le canal central 3, à partir duquel il parvient par des canaux tangentiels 4 dans une chambre cylindrique 5 ou le liquide est soumis à une rota-. 35 tion rapide et dont il. sort par l'intermédiaire d'un ajutage 7 sous la forme d'un cône de pulvérisation. Ce pulvérisateur sous pression disposé au centre est combiné avec un générateur d'oscillations sonores ou ultrasonores , qui est constitué de la façon BAD ÛRIGfrm, 69 44387 2026912 suivante: r Un canal d'alimentation 10 à section annulaire reçoit un gaz sous pression, par exemple de l'air comprimé;ce canal rétrécit progressivement jusqu'à un ajutage annulaire 11 à partir 5 duquel le gaz sous pression s'échappe à vitesse élevée poui- pénétrer dans une rainure annulaire 12 pratiquée sur le carter en face de l'embouchure de l'ajutage. Cette rainure est calculée de telle sorte que dans la zone 15 comprise entre la rainure annulaire 12 et la surface 14, qui limite la partie centrale 2 vers l'a-10 vant, il apparaît un champ d'oscillation sonore de fréquence supérieure à 3000 hertz ou'un champ d'oscillation ultrasonore, dans la zone active duquel se situe le cône de pulvérisation provenant de l'ajutage 7. Dâns la forme de réalisation de la figure 2, l'appa-15 reil comporte également un carter,1, un pulvérisateur sous pression qui y est monté et qui comporte des pièces 2 à 7 analogues à celles déjà décrites, et un générateur d'oscillation sonore ou ultrasonore avec un canal d'alimentation 10 et un ajuta.ge annulaire 11, à partir duquel le gaz sous pression parvient, par l'intermédiaire 20 d'une surface de renvoi 13 disposée sur la partie centrale, à une rainure annulaire 17 pratiquée sur le carter et qui agit en tant que résonateur , de telle sorte qu'il se forme dans l'espace 15 un champ d'oscillation sonore de fréquence supérieure à 3000 hertz ou un champ d'oscillation ultrasonore, dans la zone active duquel 25 .se situe le cône de pulvérisation s échappant de l'ajutage 7. Pour transmettre dans une mesure aussi grande que possible le champ d'oscillation sonore ou ultrasonore au cône de pulvérisation, on utilise une surface concave B réfléchissait vers le cône de pulvérisation. 30 Des recherches ont révélé qu'au contraire des appa reils analogues connus, il est possible avec un appareil suivant les figures 1 et 2 destiné au fonctionnement d'un brûleur à huile, de réduire le liquide pulvérisé jusqu'à 10% du débit maximum, sar.s que le rendement de la combustion en soit détérioré de façon ap~ 35 préciable. Par rapport à un dispositif mélangeur connu, dans lequel on utilise un champ d'oscillation ultrasonore pour la pulvérisation d'un liquide s'écnappant sans être pulvérisé d'un ajutage, l'appareil suivant la figure 1 ou 2 offre l'avantage que l'on ri -y ?AD ORIGINAL 69 44387 4 2026912 a besoin,pour le fonctionnement du- générateur d'oscillation sonore ou ultrasonore, que d'une fraction de la quantité d'un gaz soumis à une pression nettement inférieure et par conséquent que les frais d'exploitation sont beaucoup"moins élevés , de telle sorte que 1' 5 appareil peut être mis en oeuvre économiquement même dans des installations à relativement faible c&it. Si même on a mentionné une fréquence sonore d'au moins 3000 hertz, ceci ne veut pas dire que l'on ne peut pas utiliser des fréquences même beaucoup plus basses. Il apparaît cependant en des-10 sous de- cette limite une sollicitation par le bruit qui doit être considérée comme insupportable dans de nombreux cas d'exploitation. . Les appareils suivant les figures 3 et 4 ont pour base le fait que l'on peut également utiliser pour le mélange intime de deux gaz, l'action d'un champ sonore ou ultrasonore . Ceci 15 edt ^î-rai en particulier pour le mélange intense de gaz combustibles avec l'air de combustion ou comburant. L'ajutage mélangeur suivant la figure 3 possède une partie centrale essentiellement tubulaire 21, dans laquelle pénètre le tube d'alimentation 22 pour un gaz, par exemple un gaz combus-20 tible à faible pression, par exemple la pression de 1 à 2,5 atmos-. phères utilisée le plus souvent pour les réseaux de distribution de gàz. Dans l.'extrémité avant de la partie centrale 21 est vissé un corps conique 23, qui réduit la section de passage de la partie centrale à un petit intervalle annulaire 24, de telle sorte que 35 le ga.z combustible s'échappe avec une vitesse augmentée par suitç de la réduction de section de la voie d'écoulement , approximativement sous la. forme d'un cylindre à paroi'mince. Sur la partie centrale 21 est en outre visséa une partie de carter 26 . Un gaz sous pression , par exemple l'air de 30 combustion , est envoyé dans l'espace 27 sous une pression de par exemple 5 à 7 atmosphères et il s'écôule à travers des alésages 28 , parallèles à l'axe , de la partie centrale dans un espace annulaire 29 qui se rétrécit par suite de 1'élagissement conique de la partie centrale , en un ajutage annulaire 30. La partie de 35 carter 26 dépasse l'extrémité avant de la partie centrale 21 et présente , en face de l'embouchure de l'ajutage annulaire 30, une rainure annulaire 31 à laquelle parvient à grande vitesse le gaz sous pression s'échappant de l'ajutage 30 et qui agit , grâce à un bad original 69 44387 2026912 . calcul approprié des dimensions, en tant que résonateur , d'-> relie sorte que soit produit un champ d'oscillation sonore de £r L'ajutage du mélangeur de la figure 4 possède une réalisation analogue. Il comprend un- carter essentiellement tabulaire 41, dans lequel débouche le tube d'alimentation 42 qui sert 10 à amener un- gaz sous pression, par exemple l'air de combustion , " sous une pression de 5 à 7 atmosphères. Dans l'extrémité avant de la partie centrale 41 est placé un corps en forme de champignon 43, dont le fût 44 forme , avec la paroi interne d'allure conique de la partie centrale 41 La partie de carter 47 vissée sur la partie centrale 41 sert dans le présent cas à l'alimentation séparée du second gaz, par exemple un gaz combustible , qui est envoyé dans l'espa-25' ce 48, traverse des alésages 49 et parvient à un ajutage annulaire 50 , à partir duquel il s'échappe sous la forme d'un écoulement approximativement cylindrique creux à grande vitesse et parvient ainsi dans la zone du champ sonore ou ultrasonore se propageant dans l'espace 51, la surface frontale conique 52 dé la partie 30 centrale servant de réflecteur pour le champ d'oscillation sonore ou ultrasonore et dirigeant celui-ci vers le courant du second gaz. . Le prolongement 43 en forme de champignon peut aussi, au lieu d'être doté d'une rainure annulaire 4-6 agissant en tant 35 que résonateur , être muni d'une surface de renvoi ou de déviation qui dirige le gaz sous pression vers une rainure annulaire pratiquée sur la partie centrale et qui agit en tant que résonateur , de telle sorte qu'on se trouve en présence pratiquement du même 3ad 0rlgimal7 69 44387 6 2026912 mode de fonctionnement. Dans la forme.de réalisation de la figure 3 également, il peut exister à la place de la rainure annulaire 31 de la partie de carter 26, une surface de renvoi ou de rejet qui dirige le courant du gaz sous pression vers une rainure annu-5 laire usinée dans la surface frontale de la partie centrale 21 et qui agit en tant que résonateur , dans lequel se produit le champ sonore ou ultrasonore. Avec un tel appareil pour le mélange intense de gaz, en particulier pour la préparation d'un mélange gazeux combustible 10 dans lequel on prévoit pour chacun des gaz à mélanger un ajutage distinct tandis que le gaz s'échappant sous pression de l'un des ajutages par exemple- l'air comprimé, est utilisé pour faire fonctionner un générateur d'oscillation sonore ou ultrasonore , le champ d'oscillation sonore ainsi produit se trouvant dans la 15 zone du second gaz s'échappant de l'autre ajutage, on obtient un mélange tellement intense des gaz qu'on peut par exemple obtenir, lorsqu'il s'agit pour les gaz à mélanger d'un gaz combustible d'une part et d'air d'autre part et que le rapport de mélange est choisi correctement, avec certitude une combustion totale sans 20 aucun résidu et donc un rendement aivantageux. Suivant un autre principe de l'invention, on peut également obtenir un mélange très intime d'un liquide pulvérisé avec un gaz grâce au fait que le cône" de pulvérisation du liquide pulvér-isé est disposé dans la zone d'un gaz sous pression s'échap 25 pant avec une vitesse supercritique d'un ajutage annulaire con- -centrique par rapport au côrE de pulvérisation. De préférence, 1' ajutage annulaire pour le gaz sous pression a la forme d'un ajuta ge Laval. - Les gouttes produites par le pulvérisateur sous pres-30 sion parviennent dans la zone d'action du courant gazeux s'échappant à une vitesse supercritique et sont ainsi fortement accélérées. Les forces de friction très élevées que ceci entraîne et qui sont déterminées par la très grande différence de vitesse entre les gouttes et le gaz sous pression, soumettent les gouttelet-- 35 tes à des oscillations internes intenses, de telle sorte que la cohésion de ces gouttelettes est surmontée et on provoque une décomposition des gouttelettes en un nuage de liquide très fin. Comme gaz sous pression, on peut utiliser de l'air BAD ORIGINAL 69 44387 . 2026912 • ^comprimé aussi bien que de la vapeur sous pression, , tandis eu-?, quand il s'agit d'un appareil destiné à pulvériser des liquic.'s combustibles pour produire une flamme , on peut utiliser un gr.~ combustible sous pression, ce -qui permet d'augmenter la puissrr.ee 5 thermique de la flamme produite. Dans ce dernier cas, il faut encore tenir compte c-s ce qui suit: à cause de la vitesse élevée du gaz provoquée par 1* ajutage Larval disposé dans le brûleur , on engendre au centre du cône de pulvérisation, une zone de dépression, de telle sorte que 10 les gaz de combustion chauds peuvent revenir dans la direction de 'l'ajutage et influencer ainsi très favorablement la mise à feu du nuage de combustible. La flamme colle par conséquent très fermement au brûleur et un arrachement de cette flamme est évité. Des appareils de ce genre sont illustrés aux figures 15 5 et 6. L'appareil de la figure 5 possède un carter 61 dans lequel est vissée une partie centrale .essentiellement tubulaire 62, dans laquelle sont placées deux autres pièces 63 et 64 qui , conjointement avec la partie centrale 62, forment un pulvérisateur sous pression normal -, Le liquide sous pression s'écoule à travers le 20 canal central 65 et parvient, par des canaux tangentiels 66 , dans une chambre cylindrique 67 dans laquelle le liquide est soumis à une rotation rapide et dont il sort à travers un ajutage 68, sous la forme d'un cône de pulvérisation. Avec un agencement concentrique autour - de ce pulvéri-25 ' sateur sous pression 66-68, on a formé'entre les pièces de carter 61 et 62, un canal d'alimentation à section transversale annulaire dans lequel un gaz sous pression est admis en 72. Le.canal 71 se rétrécit jusqu'à un endroit très étroit 73 et il s'élargit ensuite sous la forme d'un ajutage Laval 74. Les dimensions de 30 ce dernier et la pression du gaz fournit sont choisies de telle sorte que ce gaz s'échappe d'un ajutage Laval annulaire avec une vitesse supercritique. Le gaz s'échappant à une vitesse supercritique agit sur les gouttelettes du cône de pulvérisation et provoque uie division supplémentaire de celîs-ci en de très fines parti-35 cules formant un nuage. Grâce à cette pulvérisation supplémentaire, il est possible de réduire la quantité du liquide pulvérise à l'aide du pulvérisateur sous pression jusqu'à environ 10% du débit maxi- bad original 44387 8 . 2026912 mura et de maintenir cependant une pulvérisation suffisante une combustion complète désirée du combustible liquide , ce qui ru; peut pas être obtenu avec un pulvérisateur sous pression seul. Il arrive également dans la pratique industrielle que 5 l'on doive passer d'un combustible liquide à un combustible gazeux; à cause d'une pénurie par exemple , et vice versa^ de même qu'on peut se trouver en présence par exemple d'un gaz combustible avec une faible pression seulement,- qui ne permet pas d'obtenir , lors de l'échappement de l'ajutage Laval et par suite de la pres-10 sion réduite, une vitesse supercritique , de telle sorte qu'il n'est pas possible de continuer à pulvériser le combustible liquide Dans ce cas.et d'autres cas différents, lorsque l'on doit travailler dans des conditions très variables, il est utile de compléter l'appareil de pulvérisation par un autre ajutage . L'agencement 15 peut alors être conçu ,suivant une variante de l'invention, de telle sorte que concentriquement par rapport au pulvérisateur sous pression disposé au centre et produisant un cône de pulvérisation, on dispose un ajutage annulaire pour la sortie drun gaz sous pression sous une vitesse supercritique, aussi bien qu'un autre ajuta-23 ge annulaire pour la sortie d'un gaz sous pression^ avec un résona-. teur associé destiné à produire un champ d'oscillation sonore ou ultràsonore. La figure 6 représente un appareil de ce type , vu en coupe longitudinale axiale. L'appareil possède dans sa partie 25' centrale l'ensemble de l'appareil de là figure 5, donc un pulvérisateur 66,67,68 auquel parvient un liquide sous pression, par 1* intermédiaire d'un canal central 65 , et un ajutage annulaire 73, 74 concentrique à celui-ci, qui.reçoit le gaz sous pression par l'intermédiaire d'un canal 72 à section transversalé annulaire. 33 Sur la partie de carter 61 est encore vissée,dans cet appareil , une autre partie de carter 80, d'une façon telle que soit formé un canal annulaire supplémentaire 81 auquel peut être envoyé uh agent sous pression gazeux, par l'intermédiaire de canaux 82 pratiqués dans la partie de carter 62. Le canal an-35 nulaire 81 se poursuit à l'extrémité avant par un ajutage annulaire 84 dirigé vers le centre, qui se trouve en face d'une rainure annulaire 85 pratiquée- dans l'extrémité avant de la partie de carter 61 et ouverte vers l'ajutage 84, cette rainure servant BAD orjg/nal 69 44387 . . 2026912 . r de résonateur pour le gaz sous pression s'échappant de 1 'ajuterre 84 et produisant un champ d'oscillation sonore et ultrasonore qui-se trouve dans la zone de l'agent s'échappant de l'ajutage 68 ou de l'ajutage 74 et qui agit dans le sens d'une pulvérisation 5 supplémentaire du liquide s'échappant ou d'un mélange avec un gaz's'échappant. Un tel ajutage multiple peut fonctionner de façon très diverse , de telle sorte que, quand il s'agit par exemple d'un ajutage ou d'une tuyère de combustion pour l'exploitation d'un 10 four industriel , on a les possibilités suivantes: a) Fonctionnement avec de l'huile de chauffage (ajutage 68) et un gaz combustible (ajutage 74); b) fonctionnement avec de l'huile.de chauffage (ajutage 68) et de l'air comprimé ou de la vapeur sous pression (aju- 15 tage 84) ; c) fonctionnement avec de l'huile de chauffage (ajutage 68), du gaz combustible (ajutage 74)et de l'air comprimé ou de la vapeur sous pression (ajutage 84); d) fonctionnement avec du gaz combustible (ajutage 20 74) et de l'air comprimé ou de la vapeur sous pression (ajutage 84) ; e) fonctionnement avec du gaz combustible (ajutage 74) et du gaz combustible sous pression (ajutage 84). f) fonctionnement avec de l'huile de chauffage (aju-25" tage 68) et de l'air comprimé ou de la vapeur sous pression (aju- tage74) et un gaz combustible sous pression (ajutage 84). Avec un tel appareil, on peut donc travailler ,par exemple pour l'exploitation d'une installation de chauffage industrielle pour laquelle on dispose d'a.gents de chauffage différents, 33 même lorsque l'un de ces agents de chauffage fait défaut. Il eat en outre possible d'augmenter l'efficacité d'exploitation d'un tel ajutage ou d'une telle tuyère de combustion ne fonctionnant normalement qu'avec un seul agent de chauffage, par exemple de l'huile de chauffage, grâce au fait qu'on utilise conjointement pour le 35 fonctionnement un second agent de chauffage tel que du gaz combustible. Il doit -être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bad original 10 69 44387 2026912 bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet. * BAB OFUGINÀl 69 44387 2026912 REVEETOICATIONS 1. Appareil pour le mélange d'au moins deux agents fluides, comportant au moins deux ajutages disposés coaxialement , caractérisé en ce qu'à partir d'un ajutage s'échappe un gaz , en 5 particulier un gaz combustible ou un liquide divisé en fines gouttelettes grâce à l'action de la force centrifuge , en particulier-un liquide combustible , et en ce que cet agent fluide s'échappant se trouve dans la zone drun gaz s'échappant sous pression d'un second ajutage et qui est soumis grâce à un générateur d'oscillation, 10 à une oscillation sonore de fréquence supérieure à 3000 hertz ou à une osillation ultrasonore , ou encore qui s'échappe avec une . vitesse supercritique. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente un pulvérisateur sous pression disposé au 35 centre avec une pénétration tangen-tielle du liquide sous pression dans une chambre et une sortie conique à partir d'une ouverture centrale de la chambre , ce pulvérisateur étant agencé au centre d'un générateur d'oscillation annulaire produisant une oscillation sonore à fréquence supérieure à 3000 hertz, ou d'un générateur d' 20 oscillation ultrasonore qui est constitué par un ajutage annulaire pour un gaz sous pression et une rainure annulaire agissant en tant que résonateur et dans laquelle s'écoule lé gaz sous pression provenant de l'ajutage annulaire. 3.Appareil suivant la revendication 2, caractérisé 25 en ce que la rainure annulaire agissant en tant que résonateur se" trouve en face de l'ajutage annulaire sur le carter de l'appareil. 4.Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'en face de -l'ajutage annulaire , sur la partie centrale du carter , se trouve une surface de renvoi ou de déviation an- 30 nulaire qui dirige le courant de gaz sous pression , d'une façon connue en soi , vers une rainure annulaire pratiquée sur le carter extérieur et agissant en tant que résonateur. 5. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente deux ajutages à. section transversale annu- 35 laire, qui sont disposés concentriquement l'un par rapport à l1 autre, l'un des ajutages à partir duquel s'échappe un gaz sous pression, per exemple de l'air comprimé , se trouvant en face d1 une rainure annulaire qui agit en tant que résonateur pour le gaz S/sD ORIGINAL 69 44387 12 2026912 sous pression et qui produit ainsi une oscillation sonore de fréquence supérieure à 3000 hertz ou une oscillation ultrasonore , et en ce que le champ sonore ou ultrasonore formé se trouve la zone du second gaz s'échappant de l'autre ajutage, en partieu-5 lier un gaz combustible. 6. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente un pulvérisateur de liquide central , dans lequel le liquide est amené sous pression et par des canaux tan-gentiels à une chambre d'où il s'échappe à travers une ouverture 10 centrale en tant que cône de pulvérisation, et-en ce que le cône de pulvérisation est agencé dans la zone d'un gaz sous pression s'échappant à une vitesse supercritique d'un ajutage annulaire concentrique par.rapport au cône de pulvérisation. 7-. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé 15 ex/ce que le gsz sous pression s'échappe à partir d'un ajutage Laval annulaire. 8.- Appareil suivant ' 1 'une ou l'autre des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que concentriquement par rapport au pulvérisateur sous pression disposé au centre et produisant 20 un cône de pulvérisation , sont agencés un ajutage annulaire pour la sortie d'un gaz sous pression à une vitesse critique aussi bien qu'un autre ajutage annulaire pour la sortie d'un gaz sous pression avec un résonateur associé destiné à produire un champ d'oscillation sonore ou ultrasonore. BAD ORIGINAL