Brevet FR2019590A1 — publié le 19700703

La présente invention concerne un procédé de combustion de combustibles liquides, ainsi qu'une chambre de combustion, notamment dans des chaudières de chauffage, pour ltexdoution de ce procédé. L'invention crde un procédé de combustion de combustibles liquides dans un foyer qui permet une large gamme de rendement et qui assure, utilisé dans un foyer, une combustion silencieuse et optimale au point de vue économique, dans un foyer, notamment sur une chaudière de chauffage à forte charge. On peut obtenir ainsi des charges spécifiques très élevées du foyer et une grande mais régulière réception de chaleur de la paroi du foyer. Dans le procédé conforme à l'invention pour la combustion de combustibles liquides, le mélange combustible-air est introduit en direction séquentielle sous la forme d'au moins un jet propulseur dans un foyer refroidi, exempt de matières de réfraction, constitué au moins sensiblement sous forme de corps de rotation, puis produit une c h u te tourbillonnaire et évacue les gaz de combustion dans la région de l'axe du tourbillon, le tout de telle manière que tout contact avec la paroi de particules de liquide soit évité et qu'en raison de l'action tourbillonnante aucune particule de combustible non brûlé ne quitte le foyer, une recirculation impérative optimale des gaz de combustion étant obtenue dans la zone d'allumage. La chambre de combustion servant à l'exécution du procédé est caractérisée en ce qu'elle présente un foyer constitué principalement sous une forme symétrique en rotation et en ce qu'elle est munie d'au moins un brûleur disposé suivant une séquente par rapport au foyer pour produire un courant rotatif, et en ce que le foyer présente au moins une ouverture de tirage dans la région de l'axe du tourbillon. tes dessins annexés illustrent schématiquement l'invention à titre d'exemples. ta fig. 7 est une coupe longitudinale d'une chaudière de chauffage pour combustibles liquides suivant la ligne I-I de la fig. 2. ta fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la chaudière de chauffage de la fig. 1. a fig. 3 est une coupe transversale de la chaudière de chauffage suivant la ligne 111-111 de la fig. i. La fig. 4 est une coupe longitudinale d'une chaudière de chauffage horizontale suivant la ligne IV-IV de la fig. 5. La fig. 5 est une coupe transversale de la chaudière suivant la ligne III-III de la fig. 4. Les fige 6 à il représentent en coupe méridienne la réalisation de la chambre de combustion. ta fig. 12 est une coupe longitudinale d'une chaudière de chauffage pour combustibles liquides suivant la ligne II-II de la fig. 13. La fig. 13 est une coups suivant la ligne I-I de la fig. 12. La fig. 14 est un diagramme d'oscillations de pression de mise en marche dans le foyer d'une chaudière de chauffage moderne connue. La fig 15 montre les oscillstions de pression de mise en marche, enregistrées de la même manière, de la chaudière de chauf- fage de l'invention. La chaudière de chauffage représentée aux fig. 1 à 3, qui est une chaudière à vapeur, comporte une chambre de combustion complètement immergée dans l'eau qui présente un foyer 1 , cons- titué dans l'exemple représenté sous une forme pratiquement sphé risque, mais qui peut aussi etre cylindrique ou en double cône. La chambre de combustion de ne foyer 1 présente une ouverture 5 de passage du tube du brûlour dont l'axe est indiqué en 3.Une tubulure 7 du tube du brûleur comporte à son extrémité libre une bride 9 pour la fixation d'un ventilateur 11. À la oig. 2 l'extrémité d'un dispositif mélangeur 13 du brûleur est visible. Du foyer 1 partent daux sorties symétriques l'une à l'autr@ 15 et 17, la chambre du foyer présentant pratiquement un axe longitudinal commun 19 qui est également un axe principal du foyer Les sorties 15 et 17 de la chambre de combustion débouchent dans une surface de chauffe par convection 21 qui s'étend en demi-cerole autour d'une chamise d'eau chaude 31 de la chaudière à vapeur. Cette surface de chauffe par convection se termine devant une tubulure commune 23 de départ des gaz de fumées.Deux tubulures de nettoyage 25 et 27 donnent accès à la surface 21 de chauffe par convection. La paroi 29 de la chambre de combustion sépare le foyer 1 de l'eau 33 de la chaudière. La partie de convection 21 présente des tubes à eau 35. ta chaudière de chauffage ou chaudière à vapeur a un axe principal 37 perpendiculaire à l'axe 3 du brûleur qui est de son côté perpendiculaire et parallèle à l'axe de la sortie 19 de la chambre du brûleur. te dôme de la chambre se trouvant au-dessus de l'eau de la chaudière porte une tubulure de prise de vapeur 39. Une tubulure 41 d'eau dealimentation amène cette eau latéralement à travers la chemise d'eau 31. ta chaudière décrite comportant le foyer 1 et la chemise d'eau 31 est munie d'une enveloppe 43 pour l'isolement et la protection. L'axe 3 du brûleur est disposé excentriquement par rapport à l'axe 19 de la chambre de combustion, de sorte que la flamme entre avec l'air de combustion suivant une séquente dans le foyer 1 puis est déviée par la paroi 29 de la chambre de combustion et est forcée de suivre un traJet circulaire. Les gaz de fumées passent par les deux sorties 15 et t7 de la chambre de combustion des deux côtés du foyer 1 dans la surface de chauffe par convection 21 où, après avoir cédé une partie importante de leur chaleur aux tubes à eau 35, ils passent dans la tubulure de sortie 23 qui conduit à la cheminée non représentée. De cette manière, il s'établit dans le foyer 1 deux courants de rotation qui sont symétriques par rapport au plan passant par l'axe 37 et l'axe 3 du brûleur De grandes vitesses tangentielles produisent supplémentairement au rayonnement une partie considérable de la transmission thermique par convection. Par la grande turbulence, il se produit une bonne transmission thermique dans la partie des gaz de fumées se trouvant immédiatement à la suite. ta chaudière de chauffage représentée aux fig. 4 et 5 présente également un foyer sphérique 1 dans lequel une tubulure 7 du tube du brûleur à axe 3 débouche suivant une séquente. Le ventilateur il est fixé sur la tubulure 7 du tube de brû- leur au moyen d'une bride 9. La paroi 29 de la chambre de combustion est sphérique. Dans la coupe longitudinale de la chaudière représentée à la fig. 4, on voit en outre l'enveloppe 46 de la chaudière ainsi qu'une chemise d'eau 48 entourée par cette dernière pour la limitation extérieure d'une chambre à eau 49. Une tubulure d'arrivée 50 et une tubulure de reflux 52 débouchent dans cette chambre 49. Dans cette réalisation aussi, le foyer 1 présente dcux sorties 54 et 55 diamétralement opposées à liaxe commun 19. Ces deux sorties 54 et 55 dSbou- chent dans une chambre inférieure à gaz de fumées 57 de laquelle des tubes 58 mènent dans une chambre supérieure 59 & BR tes fig. 6 et 7 representent deux chambres de combustion comportant des foyers 70 et des parois 71 ces dernières étant composées chacune d'une paroi bombée 73, 74 ainsi que d'une pièce médiane cylindrique interposée 75. les tubulures de tirage coaxiales opposées 77 et 78 permettent le départ des masses subdivisées dans des directions contraires. Les deux tubulures de tirage 67 et 78 qui font saillie dans le foyer 70, sont constituées sous forme d'enveloppes annulaires 80 conduisant de l'eau de refroidissement.En outre, on peut voir dans ces deux figures 6 et 7 la tubulure 82 du tube de brûleur qui est disposée par rapport au foyer correspondant de telle manière qu'il soit imprimé au fluide entrant dans le foyer 70 un mouvement de rotation qui a pour effet, ensemble avec les deux tubulures de tirage opposées l'une à l'autre 77 et 78, de briser et mélanger les flammes avec l'air de combustion, le combustible et les gaz de combustion. La réalisation de lafig. 6 comporte une tôle directrice 84 servant à diriger le courant. Les anneaux 86 et 87 disposés suivant la fig. 7 dans le foyer 70 ont pour rôle de limiter ou d'amortir les courants transversaux qui se produisent et qui sont appelés, en présence de courants de rotation, des courants secondaires. k la fig 8, le foyer 90 d'une chambre de combustion est sphérique. lei également, les deux tubulures de départ 92 et 93 sont coaxiales l'une i l'autre et sont disposées en face l'une de l'autre, ces tubulures faisant un peu saillie dans le foyer 9Ue Elles sont protégées par des fonds 95 et 96 pour empêcher des courants de court-circuit et pour obtenir que les gaz de fumées suivent le trajet de courant indiqué par les flè- ches. Cette solution est avantageuse dans le cas de charges extrêmement élevées du foyer te foyer 98 représenté à la fig. 9 d'une chambre de combustion est cylindrique.Il présente également deux tubulures de tirage 1GO et 101 qui sont unies de chemises d'eau annulaires 103 et 104. La réalisation de la fig. 10 représente une combinaison de celle de la fig. 8 comportant des tubulures de départ suivant la fig. 9, tandis que la fig. il montre un foyer sphérique 107 qui comporte dans la zone médiane dans laquelle débouche le brû- leur, une paroi angulaire 108 pour diviser avantageusement le foyer et par suite le corps de flamme. Dans les diverses réalisations, les tubulures de tirage sont introduites dans le foyer pour permettre que les gaz passant dans la zone marginale de ce dernier soient ramenés à proximité de la zone d'allumage chaude 6 (fig. 1) de la flamme en rotation. La chaudière de chauffage ou chaudière à vapeur représentée aux fig. 12 et 13 comporte également un foyer sphérique 110 dans lequel une tubulure de tube de brûleur 112 débouche suivant une séquente. Le brûleur à huile (non représenté) est flzd au moyen de la bride 9 sur la tubulure 112 du tube de brûleur. ta paroi 114 de la chambre de combustion est sphérique. En outre, on peut voir dans la coupe longitudinale de la--chaudière suivant la fig. 12 une sortie 116 de la chambre de combustion, qui débouche dans une chambre 118 de déviation des gaz de fumées, ainsi que des tubes 120 refroidis par eau qui conduisent les gaz de fumées et auxquels se raccorde une chambre collectrice de ceux-ci 122. Une tubulure 124 sert à l'évacuation des gaz de fumées dans la cheminée, non représentée.Comme on peut le voir par la coupe II-II (fig. 13), les divers tubes 120 conduisant les gaz le fumées sont envelobpés suivant leur longueur en partie par un tube 126 dans lequel passe l'eau. Le départ de circulation de cette combinaison de tubes 120 conduisant les gaz de fumées et de tubes 126 conduisant de l'eau est assuré dans chaque cas par des tubulures de communication 128. Le nettoyage de la chaudière de chauffage ou à vapeur du côté gaz de fumées s'effectue par des ouvertures 130 et par une ouverture 134 disposées dans la chambre 118 de déviation de gaz de fumées protégée par de la chamotte 132. On sait que l'on peut influencer fortement le comportement de mise en marche de brûleurs à huile ainsi que l'amortissement des bruits dans des chaudières de chauffage par la capacité acoustique du foyer et l'inductivité acoustique de la surface de chauffe par convection. On a maintenant fait la nouvelle cons- tatation que par une circulation sensée, telle qu'elle est produite selon l'invention, dans une chambre de combustion symétrique en rotation en particulier analogue à une sphère creuse, il se produit une forte réduction des oscillations de pression de mise en route. Des essais approfondis ont confirmé que l'amortissement propre dans une telle chambre de combustion peut âtre amélioré jusqu'à 40 % par rapport aux foyers connus. La fig. 14 illustre des oscillations de pression de mise en route telles qu'elles sont produites dans une chaudière de grande puissance moderne, tandis que la fig. 15 représente l'oscillation de pression de mise en route de la nouvelle chambre de combustion comportant une surface de chauffe par convection à la suite.Etant donné que la conception du ventilateur est déterminée en premier lieu par la grandeur des oscillations de pression de mise en route et non pas par la surpression statique régnant dans le foyer, on peut travailler avec des brûleurs à huile beaucoup moins coûteux lorsqu'on utilise un foyer de ee genre. Entant donné que la flamme d'huile souffre de manque d'air dans son coeur dans les dinpositifs mélangeurs des brûleurs à huile connus actuellement, tandis qu'il règne un excès d'air dans la zone marginale, il est désirable et rationnel dc créer un foyer dans lequel le mélange non uniforme par nature d'air de combustion et de particules huile, conditionné par la di- vision du combustible dans les jets des becs est améliore . Ce résultat est obtenu du fait que les particules de combustible introduites suivant une séquente dans un foyer symétrique en ro station, de préférence analogue à une sphère creuse sont mélangés de façonà peu près idéale avec l'air de combustion en utilisant la combinaison régnant dans le foyer de courants péri- phériques, radiaux, transversaux proches de la paroi.Le processus de combustion est rendu intense par ce bon mélange, co- biné à une recirculation forcée et optimale des gaz de combustion dans la zone d'allumage (representé à la fig. 1) cet effet peut encore être améliore lorsqu'une division de la flamme de la façon décrite est effectuée, comme on peut le voir aux fig. 1 et 3 par la disposition des sorties opposées de la chambre du foyer. De ce fait, l'action de mélange et par suite forcement le processus de combustion sont améliorés. Dans les réalisations connues, on utilise dans des chambres de combustion pour assurer l'allumage et pour diminuer le temps de réaction du mélange combustible-air, une matière due réfraction. Par contre, selon l'invention, en raison de l'effet poussé de mélange et du retour des gaz de combustion chauds dans la zone d'allumage, aucune matière de réfraction n'est nécessaire dans la chambre de combustion. On peut en outre mentionner comme avantage particulier que la vitesse de combustion dans une telle chambre de combustion est si grande que malgré la forte charge spécifique du foyer, il ne sort pas de flammes de celui ci. Par conséquent, il est également possible de disposer les surfaces de chauffe par contact immédiatement après l'ouverture de sortie des gaz chauds du foyer. Il y a lieu en outre d'assurer que l'axe longitudinal du noyau tourbillonnaire se produisant coincideaimolns approximativement avec le centre de l'ouverture de sortie du foyer. a description qui précède montre que le foyer peut être exemptant de matières de réfraction qu'également de toute garniture intérieure ou tôle directrice, de sorte que l'on peut éviter sciemment une accumulation de chaleur d'une part et des pertes de pression inutiles d'autre part. On connaît des foyers cycloniques pour combustibles solides ont la caractéristique de fonctionnement principale est la sé paration aussi complete que possible des particules de cendres liquéfiées par la hante température de la chambre de combustion dans celie-ci ou sur la paroi chauae de la chambre de combustion, pour s'opposer à un trop fort encrasement de la surface de chauffe montée a la suite. Le foyer décrit se distingue des foyers connus du fait que les particules de combustibles liquides introduites dans la chanvre de combustion suivent une séquente ne touchent en aucun cas la paroi refroidie de la chambre ie combustion, ce qui évite avec sûreté des dépôts de coke. es propriétés expliquées de la chambre de combustion décrite dans ce qui précède, sont obtenues surtout du fait qu'on réalise les conditions géométriques suivantes - distance de l'axe du brûleur 3 de l'axe @e rotation 19 de a chambre de combustion : (0,1 .- 0,4) D - distance du bec du brûleur du plan vertical à 'axe 3 du brûleur en passant par l'axe de rotation 19 (O,2 # - extension maximale de la chambre de combustion dans le sens de l'axe de rotation 19 : au maximum 1,5 D - rapport de la section de tirage totale par. rapport à la section du foyer 11 # D2 maximum s 0,5 - distance de l'axe de brûleur 3 de l'ouverture de sortie placée le plus près : au maximum 0,75.D, D désigne le diamètre maximal du foyer perpendiculairement à l'axe de -rotation 19 de la chambre de combustion. BEVENDICATIONS 1 - Procédé pour la combustion de combustibles liquides, caractérisé en ce que le mélange combustible-air est introduit en direction séquentielle sous la forme d'au moins un jet propulseur dans un foyer refroidi, exempt de matières de réfraction, constitué au moins sensiblement sous forme de corps de rotation, puis une chute tourbillonnaire est produite et les gaz de combustion dans la région de l'axe du tourbillon sont évacués, le tout de telle manière que tout contact avec la paroi de particules de liquide soit évité et qu'en raison de l'action tourbillonnante aucune particule de combustible non brûlé ne quitte le foyer, une recirculation impérative optimale des gaz de combustion étant obtenue dans la zone d'allumage o 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on divise le jet sortant du brûleur comprenant l'air de combustion, le combustible, des parties qui brûlent et les résidus brûlés puis on évacue les masses divisées du foyer dans des directions différentes. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la division s 'effectue dans un plan au moins approximativement perpendiculaire à la direction de départ. 4 - Chambre de combustion, notamment dans des chaudières de chauffage pour l'exécution du procédé de la revendication l, caractérisée en ce qule présente un foyer constitué principalement symétrique en rotation et en ce qu'elle est munie au moins d'un brûleur disposé suivant une séquente par rapport au foyer pour produire un courant rotatif, et en ce que le foyer présente au moins une ouverture de tirage dans la région de l'axe du tourbillon. 5 - Chambre de combustion suivant la revendication 4 caractérisée en ce que les ouvertures de tirage sont placées au moins approximativement opposées l'une à l'autre. 6 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les tubulures de tirage font saillie dans l'intérieur du foyer. 7 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les axes des deux ouvertures de tirage sont parallèles à l'axe du tourbillon ee par exemple coincident avec cet axe. 8 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle présente un foyer 1 en forme de sphère creuse. 9 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle présente un foyer cylindrique ou en double cône. 10 Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les ouvertures de tirage, par exemple d'égale grandeur, débouchent dans un courant de tirage commun, par exemple annulaire. Il - Chambre de combustion suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que la chambre de tirage commune est traversée par des tubes à eau 35 ou des tubes de fumées 58. 12 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce quelle est exempte de chamotte et de garnitures intérieures. 13 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que des tubulures de départ 77, 78, par exemple refroidies, font saillie dans la chambre de combustion. 14 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que des éléments 86, 87 amortissant les courants transversaux sont prévus dans la chambre de combustion 70. 15 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que des organes de déviation 95, 96 sont disposés devant les tubulures 92, 93 dans la chambre de combustion 90. 16 - Chambre de combustion s ;vant la revendication 4, caractérisée en ce que les tubulures de sortie de chambre de combustion 116 débouchent coaxialement dans une chambre de déviation des gaz de fumées 118. 17 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la distance du bec du brûleur de l'axe vertical à l'axe 3 du brûleur passant par l'axe de rotation 19 (0,25 + 0,5) correspond au diamètre maximal D du foyer, D étant le diamètre maximal du foyer perpendiculairement à 11 axe de rotation l9o 18 ~ ~ Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que. la distance de l'axe 3 du brûleur à l'axe de rotation 19 de la chambre de combustion (0,1 t 0,4) est D;; D indiquant le diamètre maximal de la chambre de combustion perpendiculairement à l'axe de rotation l9o 19 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'axe longitudinal de la chute du tourbillon produite coincide au moins approximativement avec le centre de l'ouverture de sortie du foyer. 20 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'extension maximale de la chambre de combustion dans le sens de l'axe de rotation 19 ne dépasse pas 1,5 fois les dimensions maximales du diamètre D du foyers 21 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la section de tirage totale est au maximum de 50 % la section maximale (D2 TT) du foyer. 4 22 - Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la distance de l'axe 3 du brûleur de l'ouverture de sortie placée le plus près est au maximum de 0,75 De