Brevet FR2301770A1 — publié le 19760917

On sait que les brûleurs à pulvérisation de combustibles liquides, quel que soit le soin apporté à la réalisation de leur dispositif de pulvérisation et d'un mélange aussi intime que possible de l'air de combustion avec le brouillard de fines goutelettes de combustible résultant de cette pulvérisation, ne permettent pas d'éviter l'admission d'une quantité d'air supérieure à celle nécessaire aux réactions d'oxydation des composés dudit combustible liquide. Gr ce à la prévision de cet excès d'air, on peut limiter à une valeur admissible la proportion d'imbrûlés solides et gazeux, mais, bien entendu, aux dépens du rendement thermique de l'installation, car ledit excès d'air doit hêtre rejeté à l'atmosphère après s'etre échauffé dans le foyer du brdleur. De plus, malgré cet excès d'air, la combustion n'est jamais totale, et il est impossible d'éviter un faible pourcentage d'imbrûlés, en majorité solides. Un tel pourcentage faible dtimbrûlés présente cependant deux inconvénients majeurs, d'une part au point de vue de la pollution atmisphé- rique entrainée par le rejet d'une partie desdits imbrûlés solides par la cheminée, et d'autre part, au point de vue du rendement thermique de 1' ins- tallation, qui se trouve réduit du fait des dépôts d'une autre partie de ces imbrûlés solides sur les surfaces d'échange thermique du génerateur. On a constaté déjà, que la quantité dtimbrûlés solides formés, dépendait entre autres, quelles que soient la qualité de la pulvérisation et celle du mélange air/combustibles,de la température de la flamme et du temps de séjour des produits en cours de combustion, à l'intérieur de cette 1amme. Une élévation de la température de la flamme s'est révélée favorable, de méme qu'un Bllongement du temps de sejour susvise. I1 est déjà connu d'agir simultanément sur les deux paramètres précités, en utilisant un procédé dit "de recirculation", consistant à renvoyer du cté de la naissance de la flamme une partie des gaz brûlés. Une telle recirculation peut être obtenue éventuellement sans prévoir de ventilateur spécial à cet effet, et certains travaux de 1'API (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE) ont montré les avantages d'une telle recirculation naturelle. la présente invention a pour objet un dispositif simple et peu onéreux, permettant d'obtenir simultanFment une recirculation naturelle des gaz de combustion et une élévation notable de la température de la flaP. Ce dispositif est constitué par une chambre de combustion additionnelle à paroi mince, formant foyer tubulaire à l'avant du brûLeur à combustibles liquides, autour de la flamme de ce brûleur. Cette chambre de combustion additionnelle peut être de forme cylindrique ou tronconique. Dans ce dernier cas, elle s'évase vers la partie antérieure de ladite flamme, de meme que lorsqu'elle est constituée par une surface de révolution quelconque s'évasant vers l'avant, et présentant une certaine concavité vers l'extérieur. Cette chambre doit épouser de préférence le profil extérieur de la flamme, en particulier dans sa partie conique la plus voisine dudit brûleur, de façon que sa paroi interne reste à une faible distance de cette flamme, sans toutefois que les produits liquides pulvérisés puissent, pendant leur combustion, venir frapper cette paroi, en produisant ce qu'on appelle"un accrochage" nuisible à la combustion et susceptible de donner naissance à des particules solides d'imbrulés. De préférence, la longueur de cette chambre de combustion additionnelle sera comprise entre la moitié et les trois quarts de la profondeur du foyer du générateur thermique, et de préférence entre 60 % et 70 Zo de cette profondeur. L'épaisseur de la paroi de ladite chambre additionnelle, doit etre la plus faible possible, de façon à ne pas gener les transferts de chaleur, l'épaisseur minimale étant toutefois conditionnée par la résistance mécanique à chaud du matériau constituant cette chambre additionnelle. Cette épaisseur sera, en pratique, comprise entre 0,3 et 10 mm, et, dans le cas de parois métalliques, cette épaisseur sera avantageusement comprise entre 0,5 et 2 mm. On peut utiliser, pour réaliser cette chambre de combustion, des matériaux capables de résister à la température d'une flamme de combustibles liquides, ainsi qu'aux chocs thermiques pouvant etre provoqués dans le cas d'un brûleur fonctionnant par tout ou rien, ces matériaux pouvant etre, par exemple, de l'acier inoxydable, de la laine de kaolin sur support métallique, des produits réfractaires du type ciment, céramique, etc... ou enfin, des matériaux ou alliages frittés. De plus, on peut revetir la paroi de cette chambre, soit intérieurement, soit extérieurement, de produits réfractaires, en vue de faire varier les propriétés émissives de ladite chambre de combustion additionnelle. Ces produits réfractaires, constitués éventuellement par des alliages ou oxydes métalliques, peuvent être déposés par tous procédés connus, par exemple à l'aide d'un chalumeau classique ou à plasma. La paroi de ladite chambre de combustion additionnelle, peut etre une paroi continue, percée éventuellement d'ouvertures, en particulier du c8té de la naissance de la flamme. Cette paroi peut également être constitube par un treillis réalisé en toile métallique ou en tissu réfractaire. Dans la pratique, il semble qu'on obtienne les meilleurs résul tats en utilisant une tôle métallique percée de trous, dans laquelle la sur face totale des trous représente entre 0,5 % et 20 7. de la surface métallique, ce rapport étant avantageusement compris entre 1 % et 5 % Une telle chambre de combustion additionnelle est utilisable quel que soit le type de brdleur à pulvérisation utilisé, que cette pulvérisation soit obtenue au moyen d'un fluide auxiliaire tel que de l'air à basse, moyenne ou haute pression, ou de la vapeur d'eau par exemple, ou qu'elle soit obtenue par la force centrifuge ou par des moyens mécaniques exerçant une pression sur le combustible. Cette chambre additionnelle peut être utilisée, que le brûleur soit prévu pour fonctionner par tout ou rien, par tout ou peu, ou d'une manière progressive. Elle est utilisable avec tous combustibles liquides, que ces combustibles soient d'origine pétrolière ou non, et en particulier avec le fuel oil do estique, le fuel léger, le fuel lourd n 1 ou le fuel lourd n 2. ladite chambre additionnelle peut s'adapter à tous types de gé négateurs de chaleur équipés d'un brûleur à pulvérisation de combustible liquide, par exemple à des chaudières sectionnsnea an fonte, à des chaudieres en acier, à tube de fumez ou à tube d'eau, et à des générateurs d'air chaud. Une telle chambre additionnelle se place dans le foyer du gêné- rateur coaxialesent à l'axe du gicleur du brdleur, ou à celui de la tete de combustion dans le cas d'un brûleur comportant plusieurs gicleurs. Suivant le cas, la chambre de combustion peut être fixée par l'une de ses extrémités sur le brûleur lui-aRre, soit par emmanchement cy lindrique direct sur le canon du brûleur, soit par l'intermédiaire d'une collerette solidaire d'un déflecteur relié de façon discontinue, par vexez ple en trois points, à la paroi de ladite chambre de combustion addition nelle. Elle peut également être montée sur la sole du foyer, à l'aide de pattes ou de berceaux métalliques, ou à l'aide de briques réfractaires, son extrémité postérieure étant placée par exemple à une faible distance du canon du brEleur. Si la chambre additionnelle ne possede pas d'ouvertures, on prévoit, de préférence, un écartement compris entre 5 et 15 centimètres en tre la partie antérieure du canon dudit brtleur et la partie postérieure de ladite chambre additionnelle. Pour mesurer l'effet d'une telle chambre additionnelle, on mesure, d'une part, ce qu'on appelle l'indice de noircissement Bacharach, d'autre part le pourcentage de C02 présent dans les gaz brûlés, et enfin la différence entre la température ambiante et celle des fumées. On peut déduire de ces deux dernières valeurs, la perte de calories par les fumées et le rendement thermique de l'installation. On constate que l'adjonction de ladite chambre de combustion, pour une meme valeur de l'indice de noircissement Bacharach, permet une amélioration du rendement thermique comprise entre 1 % et 1,5 %. Dans d'autres cas, le rendement thermique de l'installation n'est pratiquement pas amélioré, mais l'adjonction de ladite chambre de combustion permet de réduire à une valeur assez faible de l'ordre de 1 l'indice de noircissement Bacharach de l'inbtallation, alors qu'en l'absence d'une telle chambre, il était impossible de descendre au-dessous d'une valeur égale à 3 par exemple. On constatera, que l'amélioration précitée du rendement thermique dans le cas d'obtention d'un indice de noircissement Bacharach equiva- lent avec ou sans chambre additionnelle, correspond à une baisse de tempé rature des fumées. Les mesures des indices de noircissement Bacharach sont effec tuées suivant la norme française X 43-002. Les essais qui seront décrits ci-après, ont été effectués sur une chaudière Chappee en fonte m 210 d'une puissance de 45.000 Kcal/h fonctionnant dans certains cas, à une puissance réduite de 25.000 Kcal/h. Cette chaudière était équipée d'un brûleur SGB type ME équipé d'un gicleur HAGO de 1,35 gallon débitant 6,1 litres/h sous une pression de 10 bars, et ayant un angle de pulvérisation égal à 80". Ce brûleur était alimenté en fuel oil domestique du commerce. La teneur en C02 des fumées, a été mesurée avec l'appareil D'ORSAT, la température adiante et la température des fumées avec un ther momètre à mercure. Essai comparatif nO 1 Le tableau ci-après fournit respectivement, pour les mêmes in dices de noircissement Bacharach, les valeurs correspondantes du pourcen tage de C02 dans les fumées, avec et sans chambre de combustion addition nelle, et celles des différences de température entre les fumées et l'am- biante, également avec et sans chambre de combustion. La chambre de combustion était constituée par un cône en acier inoxydable 18-8 ayant un petit diamètre de 15Q millimètres, un grand dia mètre de 225 millimètres et une longueur de 400 millimètres, avec deux séries de trous de 15 millimètres de diantre répartis sur deux sections droites situées respectivement à 45 et 85 millimètres de l'extrémité postérieure de ladite chambre de combustion. Indice Différence de tempéra - Rendement de 1' ins- Bacharach Pourcentage C02 ture entre fumées et tallation ambiante sans avec sans avec sans avec chambre chambre chambre chambre chambre chambre 1 12,6 14 257 248 88 X 89,5 Z 3 13,4 14,2 256 247 5 14. 14,6 251 243 7 14,4 14,8 248 243 Le but recherché étant, par exemple, d'obtenir un indice Bacharach de 1, la diminution de 9" de la température des fumées qui a été obtenue par l'adjonction de ladite chambre additionnelle a permis d'augmenter le rendement thermique de l'installation de 88 Z sans chambre de combustion à 89,5 Z avec chambre de combustion. Essai nO 2 Si l'on substitue au cône en acier inoxydable un cône identique au précédent, mais recouvert intérieurement d'un dépôt de nickel-çhrome d'une épaisseur de 100 microns, on constate une baisse accrue de la température des fumées (différence de température ramenée à 2430 au maximum pour un indice Bacharach égal à 1 et à 241 pour des indices Bacharach compris entre 3 et 7). Par contre\ le pourcentage de Co2présent dans les fumées, est un peu inférieur à ce qu'on obtient avec un cône en acier inoxydable non recouvert de nickel-chrome, ce qui conduit en définitive à une perte par les fumées de l'ordre de 11 Z, et à un rendement de 89 Z seulement au lieu de 89,5 %. Essai nO 3 Si on substitue maintenant au cône inoxydable du premier essai un cône identique à celui de l'essai 2, mais recouvert également de nickelchrome à sa partie externe, le pourcentage de C02 présent dans les fumées, est un peu plus élevé que dans le cas de l'essai 2 (pourcentage majoré ap proximativement de 0,2 % quel que soit l'indice Bacharach considéré, et égal notamment à 13,4 Z au lieu de 13,2 % pour un indice Bacharach égal à 1). Par contre, la température des fumées se trowe, dans ce cas, un peu accrue par rapport à l'essai 2, soit un écart de 2" environ pour un indice Bacharach égal à 1. Le rendement thermique obtenu passe alors à 89,2 Z au lieu de 89 % dans l'essai 2. Essai n" 4 Si on substitue maintenant au cône en acier inoxydable de l1es- sai 1, un cône identique recouvert de laine de kaolin et d'un deuxième cône en acier inoxydable, on obtient des pourcentages de C02 assez voisins de ceux correspondant à l'essai 2, mais néanmoins un peu inférieurs à ceux correspondant au premier essai comparatif. Par contre, la température des fumées devient alors notablement plus basse que dans les différents essais précédents, et l'on obtient en définitive un rendement de 89,4 %. Le gain de rendement par rapport à l'essai sans chambre de cos,- bustion additionnelle, est donc compris suivant le cas, entre 1 et 1,5 %, les résultats les meilleurs étant obtenus dans les essais 1 et 4, pour une valeur constante égale à 1 de l'indice de noircissement Bacharach. On remarquera toutefois, que cette amélioration du rendement de combustion n'est pas le but principal à atteindre, et que l'intérêt principal de ladite chambre de combustion additionnelle réside dans la possibilité de réduire la pollution atmosphérique, ainsi que l'encrassement de l'installation, en arrivant à faire fonctionner correctement, avec de bas indices de noircissement de l'ordre de 1, des installations qui, sans chalb bre de combustion additionnelle, ne permettraient pas l'obtention d'indices de noircissement aussi bas. Essai n" 5 A la puissance réduite de 25.000 Kcal/h, il était impossible de faire fonctionner la chaudière précitée avec un indice Bacharach faible, inférieur à 3. Pour cet indice minimum, le pourcentage de C02 présent dans les fumées est égal à 9,6 %, et la différence de température entre les fumées et l'ambiante est égale à 224 . En prévoyant une chambre additionnelle cylindrique avec rentre d'air par l'arrière, du type décrit plus loin en référence à la figure 1 du dessin annexe à la présente demande, on abaisse la différence de tempéra ture précitée entre les fumées et l'ambiante à une valeur variable entre 206 et 2020 lorsque l'indice Bacharach obtenu varie de 1 à 7, et le pourcentage de C02 présent dans les fumées se trouve réduit à 10,3 Z pour un indice Bacharach égal à 1. Le rendement de 1' installation n'est alors que de 88,2 Z en- viron, c'est-8-dire qu'il n'est pas très relevé dans l'absolu. Néanmoins, dans une telle marche è puissance réduite, et pour un indice de noircissement minimal égal à 3, le rendement thermique sans chambre de combustion ne devait pas dépasser 86,5 %. L'adjonction de ladite chambre a donc permis, non seulement de faire tomber à une valeur égale è l'unité l'indice de noircissement Bacharach, mais encore de réaliser un ga-in de rendement thermique de l'ordre de 1,7 Z. On va décrire maintenant différent. modes de réalisation de cham- bre de combustion additionnelle suivant la présente invention, modes de réa lisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et décrits en se référant au dessin annexé, sur lequel - la fig.l est une coupe diamétrale suivant I-I de la fig.2, montrant le type de chambre utilisé dans l'essai 5 - la fig.2 est une vue de la mime chambre de combustion addition nelle par la partie antérieure de cette chambre - la fig .3 est une représentation schématique d'une chambre de combustion additionnelle cylindrique montée sur la sole du foyer de l'ins tallation, et placée à-- une certaine distance de la partie antérieure du brû- leur de pulvérisation - la fig.4 est une représentation longitudinale montrant un ty pe de chambre de combustion additionnelle susceptlble de s' emmancher sur la partie antérieure d'un brûleur de pulvérisation, et comportant de; rangées de trous, plus rapprochés les uns des autres du côté du brûleurs que vers la partie antérieure de ladite chambre de combustion additionnelle, ces trous étant localisés dans la partie postérieure de ladite chambre de com bustion additionnelle Norrespondant à la partie conique de la flamme ayant pour sommet le gicleur dudit brûleur;; et la fig.5 est un diagramme donnant les courbes de variation de l'indice de noircissement Bacharach en fonction du pourcentage de C02 présent dans les fumées, avec et sans chambre additionnelle du type repré- senté sur la figure 1, pour une chaudière Chapée du type precité, fonc tionnant à une puissance réduite de 25.000 Kcal/h. On voit sur les figures 1 et 2, que la chambre de combustion additionnelle 1 est de type cylindrique et est raccordée à un déflecteur 2 par trois bras équidistants 3 visibles en particulier sur la figure 2. Le déf lecteur- conique 2 se raccorde à sa partie postérieure avec une collerette 4 visible également sur la figure 2, et dont la par tie centrale est solidaire d'un manchon 5 venant coiffer la partie antb- rieure d'un brûleur 6. Comme on l'a dit plus haut, la partie renflée de la flamme 7 arrive assez près de la paroi cylindrique de la chambre 1, mais toutefois, à une distance suffisante. pour éviter les "accrochages" de cette flamme, générateurs d'imbrûlés solides. Dans le cas de la figure 3, on retrouve une chambre de combustion additionnelle cylindrique la permettant une rentrée de gaz brûles par sa partie postérieure 8, de la meme façon que dans le cas de la chambre illustrée par les figures 1 et 2,où l'air canalisé par le déflecteur 2 entre les bras équidistants 3 pouvait rentrer également dans la chambre de combustion additionnelle par sa partie postérieure. Toutefois, en raison de la solution de continuité entre le brC- leur 6 et la chambre de combustion additionnelle la, celle-ci est fixée sur la sole 9 du générateur par des pieds 10. De plus, en raison de l'absence du déflecteur 2 et du manchon 5 de la figure 1, la distance entre ladite chambre et le brûleur 6 a pu être réduite. Dans le cas de la figure 4, la chambre de combustion additionnelle 11 est conique et s'emmanche directement sur le brûleur 6, ce qui permet d'éviter de prévoir des pieds 10 indépendants. Par ailleurs, des séries de trous équidistants 12, plus serres du côte de la partie postérieure de la chambre 11, sont prévus sur la partie de cette chambre tournée vers le brûleur 6, de façon à permettre à l'air de rentrer dans la chambre de combustion additionnelle à l'arrière de la flamme 7. L'effet de recirculation naturelle des gaz de combustion est donc obtenu également dans le cas de ladite chambre conique illustrée par la figure 4. On remarquera, que la flamme 7 ne passe pas très loin de la paroi conique 11, mais néanmoins à une distance suffisante pour éviter les "accrochages" précités. Si l'on examine maintenant les deux courbes de la figure 5, dont l'une, en traits interrompus, correspond à l'utilisation d'un brûleur sans chambre additionnelle de combustion, et l'autre, en traits pleins, à l'utilisation de la chambre de combustion illustrée par la figure 1, on voit qu' il était impossible, sans chambre de combustion additionnelle, de faire descendre l'indice de noircissement Bacharach de la chaudière précitée fonctionnant à demi-charge au-dessous de 3. Lorsqu'on équipe son brûleur de la chambre additionnelle précitée, on voit que le pourcentage de C02 augmente de 9,6 à 11,2 pour un indice de noircissement égal à 3, mais surtout, qu'on peut obtenir un indice Bacharach égal à 1 pour un pourcentage de C02 un peu plus élevé égal à 10,3 %. On peut également se rendre compta, en comparant ces deux courbes, que, pour un même pourcentage de C02 présent dans les fumées et égal à 10,9, l'indice de noircissement diminue environ de moitié, de 5 à 2,5. Il est bien entendu que l'on peut apporter aux modes de réali- sation décrits plus haut divers changements, perfectionnements et additions, et que l'on peut remplacer certains éléments par des éléments équivalents sans altérer pour cela l'économie générale de l'invention. REVEND ICAT IONS 1. Dispositif de foyer tubulaire permettant, par recirculation naturelle des gaz de combustion d'un brûleur à combustibles liquidas, d'obtenir simultanément une baisse de l'indice de noircissement des fumées et une ilmélioration du rendement thermique de l'installation équipée dudit brQ- leur, ce dispositif étant caractérisé par le fait : qu'il est constitué par une forme creuse de révolution comportant à sa partie postérieure ou sur sa partie périphérique postérieure, au moins un orifice de recirculation naturelle desdits gaz de combustion, et destinée à être placee autour de la flam- me dudit brûleur, à une faible distance de la partie de diamètre maximum de ladite flannne. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite forme creuse est un cône d'acier inoxydable 18-8 revêtu in térieurement, et/ou extérieurement, d'un dépôt de nickel-chrome d'une épaisseur de l'ordre de 100 microns. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait : que ladite forme creuse est un cône d'acier inoxydable 18-8, recouvert intérieurement de laine de kaolin et d'un deuxième cône d'acier inoxydable de diamètres antérieur et postérieur peu inférieurs à ceux du premier cône. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite forme creuse est réalisée sous la forme d'un treillis en toile métallique ou en tissu réfractaire. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait : que ladite forme creuse est cylindrique et est constituée par une tôle d'acier inoxydable 18-8 non percée de trous ; que la partie postérieure de cette forme cylindrique est placée de préférence à une distance com prise entre 5 et 15 centimètres de l'extrémité antérieure du canon dudit brûleur ; et que cette forme creuse est soutenue coaxialement audit brûleur par des pieds prenant appui sur la sole du foyer du générateur équipé dudit brdleur, ou par des briques réfractaires. 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait : que ladite forme creuse est cylindrique et est constituée par une tôle d'acier inoxydable 18-8 non percée de trous ; que la partie postérieure de cette forme cylindrique est solidarisée avec ledit brûleur par l'intermédiaire d'un manchon coaxial solidaire d'un déflecteur conique, et éventuellement d'-une collerette transversale séparant ce déflecteur dudit manchon et par l'intermédiaire de trois rayons équidistants de faible largeur disposés dans le plan transversal de diamètre maximum dudit déflecteur conique. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait : que ladite forme creuse est constituée par une tôle d'acier inoxydable 18-8, présentant une forme évasée vers sa partie antérieure, et un profil externe linéaire ou extérieurement concave ; et que cette forme creuse est solidaire d'un manchon cylindrique susceptible de s'emmancher sur la partie antérieure du canon dudit brûleur, et présente, au voisinage de sa partie postérieure, des rangées transversales équidistantes d'orifi Ces équidistants disposés de préférence en quinconce, et dont les écartements, d'une rangée à la suivante, diminuent progressivement en se rapprochant de la partie postérieure de ladite forme creuse, de façon à favoriser la recirculation naturelle desdits gaz de combustion du côté de la naissance de la flamme dudit brûleur.