Brevet FR2351354A1 — publié le 19771209

La présente invention concerne un gicleur pour brd- leur à combustible liquide tel que du mazout et notamment pour brûleur de chaudière de chauffage central. Les gicleurs employas dans les bruleurs ont pour fonction de pulvériser en gouttelettes le combustible et de projeter Ces gouttelettes de manière à les répartir dans un courant d'air en créant un mélange inflammable propice à une bonne combustion. Pour assurer un encombrement minimum de la flamme et un bon rendement énergétique, les gouttelettes de liquide pulvérisé doivent être très fines de manière à multiplier la surface de contact air-combustible et à permettre une combustion rapide sans craquage. Par ailleurs, ces gouttelettes doivent etre bien réparties dans l'espace autour de l'axe commun du brûleur et du gicleur, pour éviter toute déviation de la flamme. Les gicleurs connus comprennent en général un orifice axial de pulvérisation comprenant un col de petit diamètre précédé d'un ensemble convergent disposés axialement, Cet orifice est alimente en combustibls- sous pression~par--des~canaux tangentiels débouchant périphériquement à la base de l'ensemble divergent. L'arrivée tangentielle du liquide dans le convergent provoque un mouvement tourbillonnaire dans ce convergent et dans le col, et assure ltéclatement en fines gouttelettes à là sortie de l'orifice. L'expérience a montré que de tels gicleurs donnaient de bons résultats pourvu que les trois conditions suivantes soient respectées - le nombre des canaux doit être au moins égal à trois et ils doivent être régulièrement répartis autour de l'orifice - la section des canaux doit être supérieure à une valeur minimum pour laquelle des dépôts parasites provoquent des obstructions; - le débit par canal doit être suffisant pour que, compte tenu de la section de passage, la vitesse tangentielle d'arrivée du combustible dans le convergent soit suffisante pour amorcer le mouvement tourbillonnaire. Ces trois conditions ne peuvent être réunies que si le débit minimum de combustible est au moins égal à trois fois le débit limite inférieur de chaque canal. On constate donc que les gicleurs du genre ci-dessus ne peuvent être employés dans les installations de faible puissance dans lesquelles le débit de combustible est réduit, comme c'est le cas, par exemple, pour certaines installations de chauffage individuel d'appartements. On connais également des gicleurs utilisant, en amont du convergent de l'orifice, une chambre plate ayant une configuration telle qu'elle imprime au liquide un mouvement centripète en forme de spirale logarithmique, cette chambre étant alimentée par un seul canal, ce qui permet de réduire le débit spécifique mais conduit à des formes complexes dont la réalisation industrielle est délicate. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un gicleur ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et con venant pour des débits spécifiques faibles tout en restant de for et me simple /aisée à réaliser industriellement. Le gicleur conforme à l'invention pour brûleur à combustible liquide, tel que du mazout, comprend un orifice de pulvérisation comportant un col précédé d'un convergent, au moins un canal tangentiel d'amenée de combustible, et il est caractérisé en ce que le canal précité débouche dans une cavité annulaire entourant le convergent avec lequel elle communique le long de sa périphérie interne. Avant de pénétrer dans le convergent, le combustible traverse d'abord la cavité annulaire dans laquelle un mouvement tourbillonnaire s'établit de manière stable, ce qui assure, vis-àvis de l'axe du gicleur, une parfaite répartition des goutteletts à la sortie de l'orifice. Suivant un mode de réalisation préféré, le canal d'amenée de combustible est unique, ce qui permet de réduire d'environ trois fois la capacité minimum du brûleur, tout en assllrant de manière correcte, grâce à la cavité annulaire précitée, la r6- partition des gouttelettes et la rectitude de la flamme. De préférence, le convergent est de forme conique dc demi-angle au sommet inférieur à 450, tandis que la surface latérale interne de la cavité a la forme d'une portion de tore de même axe que l'orifice, et les surfaces limitant la cavité et le convergent forment à leur rencontre une arête vive circulaire de même axe que orifice et orientée à l'inverse de celui-ci. La cavité annulaire présente ainsi une partie en retrait de forme partiellement torique, dans laquelle le liquide reste momentanément prisonnier, où le mouvement tourbillonnaire peut se régulariser et dont la transition avec le convergent est parfaitement définie. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre exemples non limitatifs, on a représenté un mode de réalisation particulier de l'invention. - la figure 1 est une vue en coupe axiale à grande échelle du mode de réalisation précité, dans lequel le noyau conique a été dessiné non coupé ; - la figure? est une vue simplifiée d'un brûleur utilisant le gicleur conforme à l'invention - la figure 3 est une vue en bout du noyau du gicleur de la figure 1, suivant la flèche III de cette figure, - la figure 4 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 montrant en coupe axiale la disposition du noyau par rapport à la cavité et à l'orifice; - la figure 5 est une vue encore plus agrandie d'un détail de la figure 1,montrant la section de la cavité et son raccordement au convergent. Dans l'exemple de réalisation de l'invention montré aux dessins annexés, le gicleur 1 est destiné à être utilisé sur un brûleur 2 (figure 2) à combustible liquide tel que du mazout, et comporte un orifice de pulvérisation 5 disposé suivant un axe X-X comprenant un col 6 précédé d'un convergent 7. I1 est muni d'un canal tangentiel 8 d'amenée du combustible qui débouche dans une cavité annulaire 9 communiquant avec-le convergent 7 qu'elle entoure et avec lequel elle se trouve en contact le long de sa périphérie interne. Comme on le voit à la figure 2, le gicleur 1 est normalement -placé en service à l'intérieur d'un conduit d'air coinburant 3 ouvert à une extrémité sur une zone de combustion, et raccordé à son autre extrémité à la sortie d'un ventilateur 4. Il est placé sensiblement suivant l'axe du conduit 3. Dans la version représentée, le gicleur 1 est vissé par un filetage mâle 11 sur l'extrémité taraudée d'une canalisation 1a d'amenée de combustible sous pression qui lui sert de support, et il est orienté dans le prolongement de cette canalisation 1a Le gicleur 1 comprend un corps creux 12 d'axe X-X portant à une extrémité le filetage 11 précité et un filetage intérieur 13, également d'axe X-X. Un noyau conique 17, tronqué suivant une section droite 18, et une bague de blocage 19, également d'axe X-X, sont placés dans le corps 12. La bague 19 est vissée dans le taraudage 13 et applique le noyau 17 sur une surface conique femelle 16 de même ouverture que le corps 12. La bague 19 comporte au moins un passage axial 20 et un passage radial 21 mettant en communication une arrivée axiale 22 de combustible prolongeant la canalisation la, et une chambre annulaire 23 ménagée entre la périphérie du noyau 17 et les parois du corps 12. L'orifice de pulvérisation 5 et la cavité annulaire 9 sont ménagés dans le bloc 12 en regard de la section tronquée 18 du noyau 17 qui ferme exactement la cavité 9. Le canal 8 est constitué par une rainure de largeur et de profondeur sensiblement constantes ménagée dans la surface conique du noyau 17, et débouchant à une extrémité dans la chambre annulaire 23, et à l'autre extrémité dans la cavité 9 suivant une direction sensiblement tangentielle, comme le montre la figure 3. Par ailleurs, la forme conique du noyau 17 est exactement adaptée à la surface conique femelle 16 de manière que leur jonction soit étanche en dehors du passage créé par le canal 8. Les figures 4 et 5 montrent en détail la disposition de l'orifice 5 et de la cavité 9. Le convergent 7 présente une surface conique, de demi-angle au sommet inférieur à 450 et voisin de 150 dans la réalisation reprosentée, prolongée par le col cylindrique 6 qui débouche vers l'extérieur par l'intermédiaire d'un divergent 25 entouré d'une saillie extérieure annulaire 26 anti-embrun autour duquel est ménagée une cuvette annulaire 27. Comme le montre plus particulièrement la section axiale partielle représentée à la figure 5, la cavité 9 comporte une paroi latérale interne 30 présentant la forme d'une portion de tore d'axe X-X limitée, à sa rencontre avec la surface conique du convergent 7, par une arête vive circulaire 31 également d'axe X-X et orientée à l'inverse de la direction dans laquelle se trouve l'orifice 5. La cavité 9 comporte également une paroi latérale externe 32 cylindrique et d'axe X-X, et elle est limitée par deux fonds perpendiculaires à l'axe X-X et encadrant le plan de l'arrête 31, un fond avant 33 situé du côté où se trouve orifice 5 et tangent à la paroi torique 30, et un fond'arrière constitué par la section tronquée 18 du noyau 17. Suivant une réalisation préférée, la partie centrale du fond 18 est constituée par une surface 35 en pierre dure telle que du saphir, disposée ici au centre du fond Y8 et de ferme circulaire. En fonctionnement, le ventilateur 4 provoque un courant d'air entourant le gicleur 1 à l'intérieur du conduit 3, dans la direction des flèches F. Par ailleurs, le combustible liquide, envoyé sous pression au gicleur par l'intermédiaire de la canalisation 1a, arrive à la périphérie du noyau 17 après avoir traversé l'ouverture d'arrivée 22 et les passages 20 et 21. Sous l'action de la pression, le liquide emprunte alors le canal 8, suivant la flèche G (figure 3). La section transversale du canal 8 est suffisamment faible vis-à-vis du débit spécifique pour que la vitesse linéaire dans ledit canal 8 soit élevée. De ce fait, le liquide débouche dans la cavité 9 avec une vitesse tangentielle élevée qui a tendance à le plaquer contre la paroi latérale externc 32, et un mouvement tourbillonnaire s'établit dans la cavité 9 suivant la flèche H de 1 figure 3 où la position de ladit-e cavité 9 est montrée en trnits interrompus Sous l'action de la rsouseée exerce par L1arriéc continue de liquide dans le canal 8, le liquide tourbillonnant déborde de la périphérie interne de la cavité 9 en traversant l'arête 31, puis progresse du divergent 7 vers le convergent 6 et le divergent 25 pour déboucher à l'extérieur dans le conduit 3 parcouru par le courant d'air F précité. Dans le divergent 25 et à l'extérieur, la force centrifuge due aux vitesses tangentielles assure alors son éclatement en gouttelettes qui se mélangent inti- mement à l'air. La capacité intermédiaire constituée par la cavité 9 permet de créer, entre le canal d'amenée 8 et le convergent 7, un anneau liquide animé d'un mouvement de rotation régulier autour de l'axe X-X, dans lequel les vitesses tangentielles s'égalisent depuis la vitesse élevée de sortie du canal 8 jusqu'à la vitesse moyenne désirée. La cavité 9 permet ainsi, à partir d'un liquide débouchant du seul canal 8, d'établir un mouvement parfaitement régulier de rotation autour de l'axe X-X, sans que le point particulier où débouche le canal 8 présente une vitesse différente de celle observée aux autres points de la périphérie. De ce fait, est assurée la parfaite symétrie des é-coulements nécessaire à 1'obtenir tion d'une répartition régulière des gouttelettes autour de l'axe X' et, par voie de conséquence, à la création d'une flamme bien droite. De plus, la forme torique de la face latérale interne 30 de la cavité 9, assure un cheminement radial sans changement de direction vers l'axe X-X des particules de liquide qui, tout en maintenant leur vitesse tangentielle, se rapprochent progressivement du convergent 7 pour se trouver libérées de façon parfaitement répartie tout autour de sa périphérie lorsqu'elles atteignent l'arête vive circulaire. De ce fait, la répartition régulière des mouvements autour de l'axe X-X n'est pas perturbée lors de l'(fltrée dans le convergent 7, ce qui renforce encore les avantages proci- tés relatifs à la symétrie de la flamme. L'expérience Ü montré que l'on pouvait obtenir de; brûleurs fonctionnant de manière satisfaisante en utilisant tl!s gicleurs conformes à l'invention comportant un canal dont la scc- tion transversale est dimensionnée de telle manière que la vitesse linéaire du liquide le traversant soit du même ordre que celle rencontrée dans les gicleurs connus où les canaux sont au moins au nombre de trois. On voit donc que les brûleurs utilisant un gicleur conforme à l'invention permettent dtatteindre, sans que la qualité de la flamme en soit affectée, des débits spécifiques sensiblement inférieurs (de l'ordre du tiers) aux débits les plus faibles que permettent d'obtenir ces gicleurs connus, ce qui permet de les utiliser dans des chaudières de petites dimensions destinées par exemple au chauffage individuel de locaux d'habitation. Par ailleurs, la surface en pierre dure 35 permet de réduire l'usure dans une zone où l'abrasion due au mouvement tourbillonnaire du liquide avant de s'engager dans l'orifice 5 est élevée, et où se produisent des phénomènes de cavitation très sévères. De plus, la réalisation utilisant un bloc 12 dans lequel sont disposés un noyau 17 bloqué par une bague 19 assure une grande simplicité de montage et de démontage du gicleur 1 en cas d'obstruction accidentelle par exemple, tout en permettant une fabrication industrielle aisée. Enfin, la forme extérieure de la cavité 9 définie par les fonds avant 18 et arrière 33 et la paroi latérale externe cylindrique 32, assure une bonne stabilité du mouvement tourbillonnaire précité tout en étant facile à usiner. Des essais effectués sur un brûleur équipé drun gicleur conforme à 1'invention ont montré que l'on pouvait obtenir une flamme stable, silencieuse et présentant une bonne symétrie de révolution dans les conditions suivantes - Diamètre du col 6 ......................... 0,18 mm - Pression d'alimentation ................... 7/11 bars - Débit de combustible min.................. 1,3 kg/h max. ............ 2 kg/h - Teneur en C02 des fumées ......... 12 9 / 13 > - Teneur en CO des fumées , nulle - Indice de noircissement des fumées (essai BACHARACH dit "smoke test") ............... nul Le débit de combustible ainsi enregistré est sensiblement inférieur à celui obtenu avec les gicleurs connus de meme orifice, L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit et de nombreuses autres variantes sont évidemment possibles. Par exemple, le convergent 7 pourrait, au lieu d'être de forme conique, présenter une forme exponentielle et se raccorder tangentiellement au col 6. La surface 16 pourrait être plane ou même présenter une forme conique de sens inverse de celle qui a été décrite, à condition que le canal 8 débouche toujours de manière tangentielle dans la cavité 9. Tout ou partie des pièces 12, 17, 18 constitutives du gicleur pourrait aussi être constituée par deux demi-pièces accolées suivant leur plan diamétral, le canal 8 étant réalisé par usinage dans la demi-pièce correspondante. Par ailleurs, la surface tronquée 18 du noyau 17 peut, au lieu d'étire plate, présenter une courbure dont la concavité est tournée vers l'orifice 5, ce qui facilite le mouvement tourbillonnaire du combustible. REVEsDICATION Gicleur pour brûleur à combustible liquide tel que du mazout, comprenant un orifice de pulvérisation comportant un col précédé d'un convergent, un canal d'amenée de combustible qui débouche dans une cavité entourant le convergent, un bloc pré- sentant une surface conique femelle près du sommet dans laquelle sont ménagés l'orifice de pulvérisation et la cavité, et un noyau conique à pointe tronquée embotté dans la surface conique femelle du bloc, le canal d'amenée de combustible étant constitué par une rainure ménagée entre les deux surfaces coniques du noyau et du bloc, caractérisé en ce que la cavité comporte sur sa face orientée vers l'orifice de pulvérisation, une surface annulaire périphérique plane et perpendiculaire à l'axe de l'orifice, cette surface plane étant tangente à une portion de surface torique, de meme axe que l'orifice, formant à son intersection avec le convergent une arête vive circulaire de meme axe que l'orifice et orientée à l'inverse de ce dernier, et en ce que dans cette cavité débouche un canal unique ménagé entre les deux surfaces coniques précitées.