Brevet FR2027721A1 — publié le 19701002

La présente invention a trait à un /brûleur du type à aspiration d'air automatique pour les combustibles gazeux et liquides. On dispose d'un grand nombre de types différents de 5 brûleurs destinés aux applications industrielles et susceptibles de fonctionner tout à la fois avec des combustibles gazeux et liquides. Idéalement, un brûleur devrait comporter les caractéristiques suivantes : être adapté tant aux combustibles liquides qu'aux combustibles gazeux j pouvoir fonctionner avec des eombus-10 tibles gazeux et liquides de types mutuellement opposés j pouvoir être réglé avec une très grande précision et ce dans des limites très étendues relativement à la quantité fournie de combustible ; être de préférence du type à auto-aspiration en ce qui concerne l'air de combustion, c'est-à-dire que le combustible soit capa— 15 ble d'exercer une action d'entraînement suffisante sur l'air de combustion, de façon à pouvoir aspirer une quantité d'air suffisante pour la combustion ; et, finalement, être de préférence de conception aussi simple que possible. Il s'avère que jusqu'ici aucun type de brûleur connu ne 20 satisfait entièrement à toutes les conditions susmentionnées. Toutefois, et conformément à la présente invention, l'on peut maintenant faire état d'un brûleur du type à aspiration d'air automatique, lequel est tout à la fois de conception simple et susceptible de brûler pratiquement tous les types possibles de 25 combustibles gazeux et liquides. A ce propos, il est à noter que les problèmes les plus sérieux relatifs aux brûleurs de grande capacité sont suscités par les combustibles gazeux qui brûlent très lentement, tel que le gaz naturel, lorsqu'on brûle un tel type de gaz, la flamme a 30 tendance à être soufflée sur le brûleur par le combustible et/ou l'air de combustion. En conséquence, la présente invention vise également à pourvoir à un brûleur qui, même avec une charge thermique élevée, maintienne une flamme stable, y compris lorsque l'on brûle des combustibles présentant un faible potentiâ. de 35 combustion. la présente invention se caractérise par le fait que le brûleur comporte une tubulure d'alimentation pour le combustible, laquelle se termine par un orifice d'injection ou de pulvérisation qui amène la formation d'une flamme à l'intérieur 40 d'un corps de guidage métallique de la flamme, de configuration 45603 2 2027721 essentiellement cylindrique, ledit orifice étant situé de façon radiale à l'intérieur de, et à proximité de, l'extrémité d'admission d'air dudit corps de guidage de la flamme, de façon que ladite extrémité d'admission d'air présente une configuration 5 annulaire tout autour de l'orifice d'injection ou de pulvérisation, et qu'autour dudit corps de guidage de la flamme soit disposé un corps essentiellement cylindrique et d'un diamètre supérieur, lequel se trouve être raccordé à la tubulure d'alimentation, par l'intermédiaire d'une plaque d'extrémité obturée, à 0 une certaine distance de l'extrémité dudit corps de guidage de la flamme, de telle façon que se trouve être réalisée une conduite annulaire d'alimentation pour l'air de combustion, laquelle est raccordée pour le passage d'air à l'extrémité annulaire de l'aspiration d'air, ladite conduite annulaire d'alimentation 5 s'étendant essentiellement sur toute la longueur du corps de guidage de la flamme. En raison de ce type de configuration du brûleur, et du fait également que le corps de guidage de la flamme est constitué dans un métériau métallique, l'air de combustion aspiré par le brûleur se trouve être préchauffé ôu ré-20 chauffé par la flamme. Ceci a pour avantage, d'une part, de rendre le mélange d'air et de gaz plus chaud, ce qui garantit la stabilité de la flamme, même dans le cas des combustibles gazeux à inflammabilité extrêmement lente, et, d'autre part, d'éviter tout danger que le corps de guidage de la flamme ne soit surchauf-25 fé par la flamme. De plus, il résulte de ce type d'agencement qu'il n'.est pas nécessaire de réaliser le corps précité dans un matériau en céramique réfractaire, étant donné qu'il se trouve être suffisamment refroidi par l'air frais de combustion s'écou-lant le long de la surface extérieure y afférente. Tout ceci eon-30 tribue à simplifier la structure du brûleur et, par suite, à en abaisser le coût de fabrication. Il est très important, en particulier, que le brûleur fonctionne parfaitement et soit autoréglable dans un éventail très étendu de types de combustibles. Il est a remarquer que le préchauffage de l'air de 35 combustion amène un accroissement de la température de l'ordre de 200° à 300°C, de sorte que 1'inflammabilité du mélange de gaz et d'air s'en trouve être considérablement accrue. On dispose déjà de divers types de brûleurs à air préchauffé. En guise d'exemple, on peut citer les brûleurs à 40 gaz dans lesquels une flamme multiple et de forme api'atiè est 69 45603 3 2027721 " obtenue en laissant échapper .radialement un mélange de gaz et : ' d'air à travers un certain nombre d'orifices ménagés à la péri-; phérie d'une chambre de mélange dans laquelle le combustible se ~ trouve' être soufflé par une ouverture ou ajutege d'injection à 5 travers une section de tube cylindrique, laquelle est entourée par un" dispositif de sections de tubes plus larges, lesquelles amènent l'air à s'écouler dans un mouvement axial de va-et-vient avant qu'il ne soit aspiré dans la chambre de mélange par le 'combustible situé à proximité de l'ouverture d'injection préci-10 tée. Dans ce type de système, l'air est préchauffé en quelque * sorte par la paroi plus épaisse de la section de la tubulure ex-' térieure, laquelle est réchauffée par la conduction thermique s'exerçantle long d'un trajet plutôt allongé à partir de la zone de radiation de la flamme. 15 ' ' • " En outre, l'on dispose de deux brûleurs du type à non aspiration d'air automatique, dans lesquels les flammes ou les fumées (gaz) passent le long de, et en contact avec, les parois métalliques d'un prêchauffsr, à l'intérieur duquel l'air de combustion, de même que les fumées, suivent un trajet de va-et-20 vient établissant un contact d'échange thermique tout le long desdites parois. ' La présente invention pourvoit de plus à un perfec tionnement supplémentaire par le fait que se trouve être assujettie â T'a ut re extrémité du corps de guidage de la flamme une 25 plaque d'extrémité s'étendant vers l'extérieur, et à laquelle se trouvé être raccordé un corps de configuration essentiellement cylindrique, lequel s'étend dans le sens de la tubulure d'admission, tout en ménageant un espace libre tout autour du premier corps cylindrique précité d'un diamètre supérieur. Ceci a preïniè-30 rément" pour avantage que l'air de combustion ne doit pas être aspiré à partir de l'environnement immédiat de la flamme, ne risquant pas dès lors d'affecter négativement le profil ou la con- figuration de ladite flamme. Un deuxième avantage consiste dans le fait que l'air de combustion aspiré provient d'une zone plus 35 froide, ce qui contribue également à exercer une meilleure action de refroidissement sur le corps de guidage de la flamme. Il est clair que si les divers corps cylindriques précités' se trouvent être situés à une distance suffisamment éloignée les uns par rapport aux autres, la résistance présentée par 40 l'air de combustion s*écoulant à travers l'espace précité sera 69 45603 4 2027721 pratiquement nulle„ Mis à part son aptitude à "brûler les combustibles ga~ zaux, le brûleur faisant l'objet de la présente invention peut être également modifié de façon à être adapté pour pouvoir brû-5 1er les combustibles liquides. Les brûleurs destinés aux combustibles liquides peuvent être rangés dans deux catégories, à savoir les brûleurs dans lesquels le liquide se trouve être injecté sous pression, et les brûleurs dans lesquels le combustible liquide se trouve être pulvérisé par/autre fluide. La présente invention 10 est plus particulièrement adaptée aux brûleurs répondant à ce dernier type. Dans de semblables brûleurs, et conformément à la présente invention, le tuyau d'alimentation réservé à la pulvérisation de l'air se trouve être agencé, avant de déboucher à l'intérieur de la tubulure d'alimentation du combustible, suivant 15 une configuration hélicoïdale à l'intérieur du corps de guidage de la flamme. De la sortè, l'air de pulvérisation se trouve être réchauffé à une température extrêmement élevée, si bien qu'il est possible de pulvériser fort loin, c'est-à-dire profondément, jusqu'à des combustibles liquides dotés d'une haute viscosité, de 20 telle façon que soit obtenue une flamme stable, même dans des conditions ambiantes froides,, Il s'avère que le brûleur du type décrit ci-dessus présente en règle générale une combustion plus uniforme que les brûleurs actuellement disponibles, étant susceptible d'aspirer 25 également la quantité correcte d'air, suivant un processus d'auto-régulation, dans une plus grande gamme de quantités de combustibte devant être injectés. Cependant, il s'avère qu'en conférant des dimensions spéciales au corps de guidage de la flamme, cette action .d'auto-régulation du brûleur peut être étendue essentielle-30 ment à l'ensemble du système de commande, jusqu'à la charge maximale du brûleur. Un rapport stoechiométrique correct quant à la combustion d'air et de combustible se trouve être ainsi obtenu pour n'importe quelle quantité de gaz se situant entre la charge maximale et la charge pratiquement nulle. 35 Le dimensionnement du brûleur, conformément à la pré sente invention, est constitué par le rapport suivant entre la longueur et le diamètre du corps de guidage de la flamme : L = Cl.S.d ) D = C2.L+d ] 40 d. étant le diamètre minimal de l'ouverture de l'injection pour 69 45603 5 2027721 le passage de la quantité maximale requise de combustible ou d'un mélange de combustible et d'air pulvérisé, S étant le rapport stoechiométrique air/combustible, et C1 représentant une valeur située entre 2,5 et 4, mais de préférence entre 2,9 et 5 3,5, C2 représentant une valeur se situant entre 0,16 et 0,34, mais de préférence aux environs de 0,27. Il est à noter, en outre, que le coefficient constant C1 doit être choisi d'après une valeur plus élevée si la masse spécifique du gaz portant la quantité de mouvement se trouve 10 être franchement supérieure, la valeur dudit coefficient constant devant être inférieure si la masse spécifique du mélange air/ combustible se trouve être plus élevée. Pour la plupart des combustibles connus, la valeur du coefficient constant C1 pourrait s'établir entre les limites préférencielles susmentionnées. 15 La présente invention sera maintenant décrite de façon plus détaillée en référence aux dessins ci-annexés, sur lesquels: la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un brûleur adapté aux combustibles gazeux ; la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un brû-20 leur destiné aux combustibles liquides. les figures 1 et 2 représentent de façon schématique deux brûleurs destinés'à des fonctions différentes, les références communes aux deux dessins indiquant des éléments correspondants. 25 En référence tout d'abord à la figure 1, la référence 1 désigne une tubulure d'alimentation pour un combustible gazeux, laquelle se termine par une ouverture ou ajutage d'injection 2. Située à proximité immédiate dudit ajutage d'injection 2 se trouve une section tubulaire 3 faisant fonction de corps de guidage 30 de la flamme, étant disposée de façon coaxiale au-devant et tout autour de la tubulure d'alimentation 1. Les dimensions désignées sur la figure par les lettres d, D et L, indiquent respectivement le diamètre de l'alésage de l'ajutage d'injection, le diamètre intérieur de la section tubulaire 3 et, enfin, la longueur de 35 cette dernière. Lesdites dimensions suffisent à l'établissement ''des rapports mutuels susmentionnés. Il est à remarquer que les éléments 1, 2 et 3, se trouvent être parfois désignés en termes techniques par, respectivement, bec de brûleur, nez de brûleur, et espace libre de eombus-40 tion. 69 45603 6 2027721 A l'extérieur de la section tubulaire 3 se trouvent deux autres sections tubulaires 4 et 5, lesquelles sont raccordées à la tubulure d'alimentation 1 et à la section tubulaire 3 par l'intermédiaire de deux plaques tubulaires 6 et 7, respec-5 tivement. Le raccordement mutuel entre les sections tubulaires 4 et 5 peut s'effectuer de diverses manières. Sur le dessin, ledit raccordement est obtenu à l'aide d'une série circulaire d'éléments d'écartement 8. Les flèches indiquent le sens d'écoulement du gaz à travers la tubulure d'alimentation 1, ainsi que 10 le sens de l'écoulement de l'air de combustion à travers l'espace libre compris entre les sections tubulaires 3, 4 et 5» Ainsi qu'on peut le voir clairement d'après la figure, l'air froid de combustion est amené à s'écouler le long de la partie extérieure de la section tubulaire 3, l'air en question 15 étant réchauffé, cependant que la section tubulaire se trouve être refroidie. Grâce à la température élevée de l'air de combustion il s'est avéré possible d'obtenir, aux vitesses élevées, un type de combustion extrêmement stable, même dans le cas d'un gaz à inflammabilité lente, tel que le gaz naturel. En conséquen-20 ce, aucune disposition supplémentaire ne doit être prise en vue d'empêcher l'extinction de la flamme. La figure 2 représente une variante du mode de réalisation du brûleur illustré sur la figure 1, lequel est plus particulièrement destiné à brûler un combustible liquide de nature 25 visqueuse. Une conduite d'alimentation 9 pour l-'air de pulvérisation débo'uche dans une conduite hélicoïdale 10 et, ensuite, dans une conduite 11, laquelle débouche elle-même à l'intérieur de la tubulure d'alimentation 1. La partie hélicoïdale 10 de ladite conduite s'adapte à la partie frontale de la section tu-30 bulaire 3» de sorte qu'elle se trouve être réchauffée par la flamme se déplaçant tout le long-de cette dernière. L'air de pulvérisation est donc réchauffé à un degré tel que la viscosité du combustible liquide se trouve être considérablement amoindrie, la température émise par le combustible pulvérisé sous forme de 35 brouillard s'élevant de telle sorte qu'une combustion stable se trouve être garantie à l'intérieur de la section tubulaire 3. La façon dont la conduite 11 s'étend à l'intérieur de la tubulure d'alimentation 1 ne fait pas l'objet d'une description détaillée. Cependant, le principe de la pulvérisation d'un 40 combustible liquide à l'aide de l'air est suffisamment connu en 69 45603 7 2027721 soi que pour pouvoir se passer d'une telle description. Il s'avère qu'avec les brûleurs construits selon les principes susmentionnés, les résultats obtenus so»nt supérieurs à ceux dont on disposait Jusqu'ici, et ceci avec des struc-5 tures nettement plus légères et moins onéreuses. Il est bon de signaler, tout particulièrement, l'excellente maniabilité de ces brûleurs dans un grand nombre d'applications, de même que le réglage automatique de la quantité de l'air de combustion aspiré en fonction des quantités de combustibles extrêmement 10 variables qui se trouvent être acheminées à travers la tubulure d'alimentation. Bien que le dispositif faisant l'objet de la présente invention ait été décrit en référence à des dessins extrêmement schématiques, n'importe quel expert en la matière peut être à même de calculer les dimensions essentielles pour 15 toute application particulière. Pour ce faire, l'on dispose d'un grand nombre de brochures techniques énumérant des données suffisantes pour pouvoir établir le calcul du diamètre d, le calcul des valeurs de 1 et D pouvant être effectué au moyen de la formule exposée précédemment. De légères modifications struc-20 turales peuvent être apportées aux structures représentées sur les dessins, sans affecter pour cela de façon significative le fonctionnement des brûleurs. En conséquence, de telles modifications sont considérées comme entrant et faisant partie du cadre général de la présente invention. 69 45603 8 2027721 KEVETOICAIIOHS 1°) Brûleur du type à aspiration d'air automatique pour les combustibles gazeux ou liquides, caractérisé par le fait que ledit brûleur comporte une tubulure d'alimentation 5 pour le combustible, lequel se termine par un orifice ou ajutage d'injection ou de pulvérisation, lequel produit line flamme à l'intérieur d'un corps de guidage métallique de la flamme, qui est de configuration essentiellement cylindrique, ledit ajutage étant situé radialement à l'intérieur de, et à proximité 10 de, l'extrémité d'admission d'air dudit corps de guidage de la flamme, de sorte que ladite extrémité d'admission d'air présente une configuration annulaire tout autour de l'ajutage d'injection ou de pulvérisation, et qu'autour dudit corps de guidage de la flamme se trouve être installé un corps essentiellement 15 cylindrique d'un diamètre supérieur, lequel est raccordé, par l'intermédiaire d'une plaque d'extrémité obturée, à la tubulure d'alimentation, à une certaine distance par rapport à l'extrémité du corps de guidage de la flamme, de telle façon que se trouve être réalisée une conduite annulaire d'alimentation pour 20 l'air de combustion, laquelle est raccordée en vue du passage de l'air à l'extrémité annulaire d'admission de l'air, ladite conduite annulaire d'alimentation s'étendant au-dessus de toute la longueur dudit corps de guidage de la flamme. 2°) Brûleur, suivant la revendication 1, caractérisé 25 par le fait'que se trouve être fixée à l'autre ...extrémité dudit corps de guidage de la flamme une plaque d'extrémité s'étendant vers l'extérieur, et à laquelle se trouve être raccordé un corps de configuration essentiellement cylindrique s'étendant dans le sens de ladite tubulure d'alimentation, en ménageant un 30 espace libre tout autour du premier corps cylindrique précité d'un diamètre supérieur» 3°) Brûleur, suivant les revendications 1 ou 2, plus particulièrement destiné aux combustibles liquides, caractérisé par le fait qu'une conduite d'alimentation pour la pulvérisation 35 d'air se trouve être agencée avant de déboucher à l'intérieur de la tubulure d'alimentation pour le combustible,, selon une configuration hélicoïdale, à l'intérieur dudit corps de guidage de la flamme. 4°) Brûleur, suivant l'une quelconque des revendica-40 tions précédentes, caractérisé par le fait que la longueur et 69 45603 9 2027721 le diamètre dudit corps de guidage de la flamme répondent à la formule du rapport suivant : 1 = 01. S. d ) ) D = C2.1+d ) 5 d étant le diamètre minimal de l'ouverture ou ajutage d'injection pour le passage de la quantité maximale requise de combustible ou d'un mélange de combustible et d'air pulvérisé, S étant le rapport stoechiométrique air/combustible, et C1 représentant une valeur située entre 2,5 et 4, mais de préférence entre 2,9 10 et 3,5, C2 représentant une valeur située entre 0,16 et 0,34, à savoir de "préférence 0,27 approximativement.