Brevet FR2335793A1 — publié le 19770715

L'invention concerne un procédé et un dispositif de combustion de combustibles liquides, notamment des fuels N 2 et N 4. L'invention concerne en outre plus particulièrement un brtleur atomiseur d'huile utilisant de l'air à basse pression comme agent d'atomisation primaire et secondaire On connait des procédés de combustion et des brA- leurs pour lesquels les combustibles sont atomisés à l'air. Les brdleurs suivant l'art antérieur ne sont pas adaptés pour donner une combustion parfaite ou même approchant seulement la perfection. il est alors possible de constater la formation de suie et de carbone qui gènent le fonctionnement du brdleur par encrassement de l'ajutage, de la chambre de combustion et des autres surfaces d'échange de chaleur. Un des meilleurs brûleurs de l'art antérieur est décrit dans le brevet US N 3.362.647. Il décrit un ajutage de pulvérisation utilisant du fuel sous pression que l'on mélange ensuite à de l'air aspiré normalement. Dans la présente invention, l'air atomisé est sous pression et le fuel ne l'est pas. Ce sont des brûleurs qui utilisent cependant de l'air à basse pression pour 1'atomisation et aussi pour amener le fuel dans la chambre de mélange.Une telle conception est décrite dans le brevet US N 3.254.846. Ce dernier brevet ne fait pas utilisation de la construction du présent ajutage qui a été conçu pour faire tourbillonner le mélange air-combustible et favoriser le processus d'atomisation. I1 ne décrit pas non plus d'autres moyens utilisés suivant la présente invention. Un autre-mode de construction pouvant présenter de l'intérêt est décrit dans le brevet US Ne 3.870.456. Cette référence de i-art antérieur ne décrit pas la présente invention car elle utilise une cons truc- tion ajutage complètement différente dans laquelle le fuel est sous pression. Les brûleurs décrits dans les références ci-dessus sont semblablement déficients lorsqu'on les compare à la présente invention, c'est à dire qu'ils ne produisent pas une flamme courte et extrèmement intense. La présente invention est de 30 à 40% plus efficace que les brûleurs conventionnels. Ces avantages résultent de l'association du tube de flamme ou de mélange avec une atomisation secondaire et même tertiaire. La flamme violette peut dépasser 16500G sans préchauffage de l'air ou du fuel et se contrtler sur un large intervalle avec combustion totale. L'invention concerne un brdleur de fuel caractérisé en ce qu'il comprend un ajutage d'atomisation primaire d'une huile combustible liquide, un tub de flamme dans lequel cet ajutage est monté et des moyens de créer une atomisation secon daire, la taille des gouttelettes étant alors sensiblement réduite pour causer une flamme extrèmement intense lors de l'al- lumage. Le brûleur suivant l'invention a un excellent rendement résultant de la taille à laquelle on atomise les particules de combustible et du controle précis du rapport de l'air au combustible. Suivant l'invention, le combustible est atomisé en au moins trois étapes 10 le combustible est préatomisé dans l'ajutage, 20 son atomisation se poursuit ensuite par des jets d'air qui réduisent encore la taille des particules sortant de l'aJutage. Les gouttelettes obtenues suivant l'invention ont une taille de cinq à dix fois plus petite que celles produites par les moyens d'atomisation conventionnels. 30 la chaleur du tube de mélange entourant l'ajutage atomise encore les gouttelettes submicroniques par effet de vaporisation. Un important aspect de l'invention est que l'atomisation soit accomplie par un très faible volume d'air sous pression modérée L'air d'atomisation procure à la fois une aspiration pour amener le combustible dans l'ajutage et l'entrée pour préatomiser le fuel dans l'ajutage. En outre, un jet d'air de la source d'air est injecté dans le mélange de fuel atomisé et d'air pour créer une atomisation secondaire. La chambre de mélange controle la quantité d'air de combustion qui est introduite dans la zone entourant la flamme et controle ainsi le mélange stoechiométrique d'huile combustible et d'air. Le brûleur suivant l'invention permet de brûler une grande variété d'huiles combustibles, il est économique à fabriquer et fonctionne avec le minimum d'entretien. I,a pressente invention est décrite plus en détail à l'aide de divers modes de réalisation représentés schématiquement à titre d'exemple dans les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe de l'ajutage suivant I'invention. la figure 2 est une vue de face de l'injecteur tourbillonaire et de l'ajutage suivant l'invention, la f3re 3 est une vue de gauche de l'ajutage suivant la figure 1, la figure 4 est la portion avant de la structure dtajutage suivant la figure 1 avec deux jets d'air, la figure 9 et la figure 6 représentent la portion avant avec respectivement quatre et trois jets dtair, la figure 7 est une vue en coupe et en perspec tivs de l'ajutage suivant la figure I, la figure 8 est une vue latérale de l'ajutage suivant la figure 1, la figure 9 est une vue partiellement en coupe du tube de flamme et de la structure d'ajutage utilisé par la présente invention, la figure le représente le tube de flamme de la figure 9 dont on a enlevé l'ajutage la figure 11 est une vue de face du tube de flan- de la figure 9, la figure 12 est une vue de face du tube de flamme -de la figure 10, les figures 13 et 14 illustrent le collier de controle utilisé en conJonction avec le tube de fla se de la figure 9 la figure 13 représente un second mode de réali sation du tube de flamme et de la structure d'ajutage utilisés suivant i'invgntion, les figures t6 et 17 illustrent le collier de controle utilisé par le tube de flamme suivant la figure 13, la figure 18 représente un troisième mode de réalisation du tube de flamme et de la structure d'ajutage suivant l'invention, la figure 19 est une vue de face en coupe du tube de flamme suivant la figure 18, et la figure 20 est une vue d'un mode de réalisation de l'invention utilisant de l'air préohauffé. L'ajutage I possède un orifice 2 raccordé à une source d'air comprimé et un orifice 3 raccordé à une source de fuel. L'ensemble de l'ajutage comprend le corps de l'ajutage 4, la tige d'aspiration d'huile 5 l'injecteur tourbillonnaire 6 et la pièce antérieure 7. La partie antérieure du corps 4 comprend un accouplement fileté femelle 10 dans laquelle est montée et maintenue la pièce antérieure 7 de l'ajutage. De façon correspondante, la pièce 7 comporte à l'arrière un accouplement fileté msle 11. La tige 5 d'aspiration d'huile et l'injecteur 6 sont disposés de telle sorte que la sortie 13 à I'extr8mité antérieure de la tige d'aspiration d'huile puisse recevoir la partie 19 de l'injecteur 6. L'injecteur 6 repose contre la la section allongée 17 de la tige d'aspiration d'huile. Une vue de face de l'injecteur en combinaison avec la tige 5 d'aspiration d'huile est représentée sur le figure 2. Comme repré senté, l'injecteur comprend une série de fentes 19 conçues pour modifier la direction de l'écoulement de l'air ainsi que pour donner à l'air un effet spirale lorsqu'il atteint la zone 21 d'atomisation.La combinaison de la tige 5, de I'injec- teur 6 et de la 'pièce 7 est maintenue assemblée par compression par les filetages 22 de la pièce 7 et les filetages 23 de la tige d'aspiration d'huile. De l'air comprimé est admis par l'orifice 2 et il passe par les passages d'air 25 et 26 à la chambre d'air arrière 27 qui est créée par l'espace annulaire existant entre le corps 4, la pièce 7 et la tige 5. Des rainures 29 30, 31 et 32 pratiquées sur la tige 5 relient la chambre arrière 27 à la chambre d'air avant 35. Cette chambre 35 est formée par l'espace annulaire existant entre la tige 5, l'injecteur 6 et la pièce antérieure 7. De la chambre antérieure, l'air comprimé atteint la zone d'atomisation 21 à travers les fentes 19 pratiquées dans l'injecteur tourbillonnaire. Du fuel est admis par ltorifice 3 3 et passe par un conduit 37 Jusqu' et à travers un conduit 39 situé dans la tige 5. L'injecteur 6 contient un passage d'huile 40 et un passage d'ajutage 41 pour permettre à huile entrant par l'o- rifice 3 d'être en communication avec la zone d'atomisation 21. Comme représenté sur la figure 1, un joint 42 empoche l'huile et l'air de se mélanger l'un avec ltautre dans le corps de 1 'ajutage. En fonctionnement, de l'air comprimé est introduit par l'orifice 2. Il passe par les passages d'air 25 et 26 vers la chambre 27. De là, il passe par les rainures 29, 30, 31, 32 à la chambre 35. Les rainures pr.tiquee sur la tige 5 communiquent à l'air une direction géneta]ement linéaire qui se modifie brusquement à l'arrivée à 1'inJecteur tourbillonnaire. En passant à travers les fentes 19, l'air est à la fois deflé- chi d'une manière convergente vers la zone d'atomisation 21 et, les fentes 19 étant décentrées, il lui est communiqué un mouvement en spirale ou en tourbillon. En étant forcé à travers -les petits passages 19, sa vitesse augmente, ce qui crée un vide partiel dans la zone d'atomisation 21. Ce vide attire le fuel à travers l'ajutage 41. Ce mouvement tourbillonnaire procure l'atomisation primaire qui pré-atomise le fuel liquide en gouttelettes de la taille du micron. L'air comprimé est en outre d'une façon connue en soi une source d'oxygène pour la combustion du mélange. C'est donc un cone de mélange d'air et de gouttes d'huile de la taille du micron qui quitte la zone d'atomisation primaire 21. L'atomisation secondaire se fait par des jets d'air qui sortent de la pièce antérieure 7 de l'ajutage et intersectent le mélange quittant la zone 21. Comme on le voit sur la figure 1, les jets d'air 50 et 51 sont disposés de telle sorte qu'ils font converger l'air sur le mélange préatomisé quittant l'ajutage. Ceci augmente la turbulence et donne des gouttelettes d'une taille cinq à dix fois plus petite que celle des gouttes produites par les brûleurs suivant l'état de la technique. Comme on le voit sur les figures 1 et 4, les jets d'air obtiennent leur source d'air de la chambre 35 et le font converger en un débit d'air conique. Il est évidemment possible d'avoir plus de deux jets d'air. La figure 5 représente quatre jets d'air 55 à 58 et la figure 6, trois jets d'air 60 à 62. Le tableau suivant donne une représentation en accord avec la capacité du brûleur on litres par heure et les données suivantes: l'angle A qui est fait entre l'axe du jet d'air et l'axe longitudinal de l'ajutage; le diamètre des jets d'air; et la distance qui existe entre l'ajutage et le point de convergence des jets d'air. Il est bien entendu à noter que les dimensions reproduites dans le tableau ci-après sont celles qui ont été reconnues comme ayant produit les meilleurs résultats. Il faut donc en déduire que l'invention n'est pas limitée par les dimens ons indiquées. Capacité en Angle A Diametre Point de litres/heure. du trou convergence 0,76 70 0,8 mm 25 mm 1289 4,50 0,8 mm 30 à 38 mm 3,79 3,5 0,9 mm 42 à 45 mm Dans la présente invention, ajutage est monté à l'intérieur d'un tube de fiammme pour produire des résultats extrêmement avantageux. En montant ajutage dans un tube de flamme, il est possible de créer les conditions d'une combustion des combustible quasi parfaites et sans production de suie. On obtient une flamme bleue/violette ayant une température de 1650 à 17600C sans que l'on n'ait besoin d'utiliser de l'air pré chauffé. Sur les figures 9 et 10, le tube de flamme 70 reçoit ajutage 1 qui y est maintenu par des blocs de montage 72 à 74 équidistants comme on peut le voir dans les figures 11 et 12. L'extrémité antérieure 80 du tube 70 est ouverte et c'est l'endroit d'où émerge l'intense flamme bleue/violette. La partie arrière 81 du tube 70 est enserrée par un collier 82 disposé de façon à ce que, en fonction de sa distance avec la partie la plus postérieure du tube 70, il soit créé un vide d'air 85. Le mouvement en avant et en arrière du collier 82 par rapport à l'extrémité du tube 70 permet de controler la quantité d'air de combustion Cette configuration particulière est particulièrement avantageuse parce qu'elle permet à l'air d'entourer la périphérie du tube de flamme pour permettre un mélange plus régulier de l'air de combustion avec le mélange atomisé sortant de leajutAge Lair atmosphérique entrant par le tube de flamme 7G est appelé air secondaire. Cet air a aussi pour effet de refroidir l'ensemble de l'ajutage de telle sorte qu'on peut le tenir à la main. Il évite aussi le problème de la carbonisation du fuel dans bizutage et les problèmes de bouchage et d'entretien que cette carbonisation peut souvent entraîner. Dans le tableau GiaprèS sont représentées en fonction de la capacité du brûleur les donnees suivantes: diamètre intérieur X du tube de flamme, longueur Y du tube de flammme ainsi que la longueur Z de pénétration de l'ajutage dans le tube de flamme. Ces dimensions sont encore celles qui ont donné les meilleurs résultats, mais il est bien entendu qu'elles ne doivent pas limiter lginventíonO Volume en Diamètre intérieur Longueur Profondeur d'ajutage litres/heure X mm Y mm Z mm 0,76 28,5 101 67 1,89 35 112 67 3979 41 127 92 En outre, le tableau ci-dessous représente la distance D entre le collier et la partie arrière du tube-de flamme et la pression appliquée pour l'air servant à l'atoisation primaire Volume en Distance Pression litres/heure D - kg/cm 0,76 2,4 0,7 à 1,4 1,89 1,6 à 2,4 1,05 à 2,1 3,79 2,4 à 4,0 3,5 Comme on le voit sur la figure 9, le-collier 82 se déplace librement sur l'ajutage qui est monté fixe à l'intérieur du tube de flamme.Une fois que le mélange correct a été trouvé, alors le collier 82 est rigidement maintenu en place par la tige 87 qui est solidaire du collier 82 et passe à travers le bloc de montage 73 et il est fixé en position correcte par une vis de blocage Les figures 9, il et 13 montrent le méme tube de flamme que les figures 10, 12 et 14 suaf que sur ces dernières l'ajutage a été enivré pour illustrer plus clairement la construction du tube de flamme. IL est à noter qu'approximativement 80* de l'air de combustion est obtenu des prises d'air sur le tuve de flamme. Les l X restants sont de l'air primaire ou de l'air utilisé pour créer l'atomisation primaire. Le tube de flamme 90 représenté sur la figure 15 est sensiblement le meme que le tube de flamme 70 à l'exception des moyens de controle de l'introduction de l'air secondaire. Les plaques d'extrémité 91 et 92 contiennent respectivement une série de trous 93 à 96 et 97 à 100 (fig 16 et 17). La plaque 91 est montée rigidement à l'intérieur du tube 90 et on ne peut pas la déplacer. Par contre, la plaque 92 est eonçue pour pouvoir tourner autour de l'axe longitudinal du tube 90. En faisant tourner la plaque 92 par rapport à la plaque 91 on peut controler la section offerte au passage de l'air secondaire Le réglage correct étant obtenu, on peut fixer la plaque 92 avec une vis de blocage. Les tubes de flammmereprésentés sur les figures 18 et 19 représentent un autre mode de réalisation de l'invention. Ils comprennent une série de trous 101 à 104 autour de la périphérie arrière du tube de flamme 106. Un collier 105 monté de façon à pouvoir glisser sur le tube de flamme est adapté pour recouvrir uneppartie des trous 101 à 104. En faisant varier la quantité de recouvrement des trous, on règle l'air secondaire. Le collier 105 peut être maintenu en place par une vis de blocage ou partout autre moyen équivalent connu en soi. Ce mode de réalisation permet ainsi un bloc de montage plus aisément manufacturé pour l'ajutage 1. Le bloc de montage 110 est un anneauconçu pour recevoir ajutage 1.Cette conception permet aussi au bloc de montage d'entre situé à l'exté- rieur du tube de flamme plutôt qu'à l'intérieur comme ceci était le oas dans les deux modes de réalisation précédents. On a trouvé que l'on obtenait un accroissement sensible de l'invetnsité de la flamme produite par le brûleur suivant l'invention en préchauffant l'air secondaire ou Itair de combustion avant son introduction dans le tube de flamme. Ce mode de réalisation est représenté sur la figure 20. Le tube do flamme est entouré par une première enceinte 116 do forme cylindrique et ayant un diamètre plus important que celui du tube de flamme de façon à créer un espace d'air 117. Une deuxième enceinte 118 entoure la premiere pour créer l'espace 119. Les deux enceintes sont opposées ltune à l'autre et ne se touchent pas do telle sorte qu'il existe un espace 120 entre les deux. L'air secondaire ou de combustion pénètre dans l'ensemble brûleur par ltorifice 122, passe à travers l'espace d'air 119, le vide 120, l'espace d'air 117 et les trous 123 et 124 du tube de flamme 115. En circulant ainsi, il est chauffe par le tube do flamme chaud qu'entourent la première et la deuxième enceinte. On obtient ais i des températures de flamme supérieures à 1920 Co Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation C1 dessus décrits et representes à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'in- vention. REVENDICATIONS 1. Brûleur de fuel caractérisé en ce qu'il comprend un ajutage d'atomisatinn primaire d'une huile combustible liquide, un tube de flamme dans lequel cet ajutage est monté, et des moyens pour créer une atomisation secondaire, la taille des gouttelettes étant alors sensiblement réduite pour causer une flamme extrêmement intense lors de l'allumage. 2 Brûleur de fuel' liquide suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un tube de flamme ouvert à son extrémité arrière et possédant des moyens pour admettre une quantité d'air controlée, un ajutage monté dans le tube de flamme procurant une atomisation primaire du combustible liquide et injectant ce combustible ayant subi une atomisation primaire dans lettube de flamme, et des moyens pour réaliser une atomisation secondaire du fuel ayant déjà subi une atomisation primaire lors de son injection dans le tube de flamme, devant ainsi créer une flamme extrèmement intense. 3. Dispositif brûleur de fuel suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de controle de la quantité d'air admise dans le tube de flamme comprennent un ou plusieurs trous situés dans la partie arrière du tube de flamme et un collier entourant le tube de flamme et capable de recouvrir une partie ou la totalité des trous prévus pour le passage de l'air situés dans la partie arrière du tube de flamme. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour créer une atomisation secondaire comprennent un ou plusieurs jets d'air qui injectent de l'air dans le mélange d'huile ayant subi une atomisation primaire pour en augmenter l'atomisation. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs jets d'air sont disposés autour de la périphérie de l'ajutage, les axes longitudinaux se coupant l'un liautre en un point situé entant de I'aju- tage. 6. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'air qui est admis au tube de flamme est pré chauffé. 7. Brûleur de combustible liquide produisant une température de flamme supérieure à 16500C sans le bénéfice d'un combustible préchauffé9 d'agents d'atomisation ou d'air secondaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qutil comprend un ajutage qui atomise le combustible liquide, un tube de flamme ouvert à une extrémité et fermé à l'autre, l'ajutage étant inséré dans l'extrémité fermée9 des moyens pour admettre une quantité controlée d'air ambiant dans le tube de flamme, et un ou plusieurs jets d'air pour injecter de lair dans le tube de flamme, le mélange aircombustible ainsi obtenu subissant une atomisation ultérieure par l'air des jets d'air pour créer une flamme stoechiométrique extrêmement intense sans émissions contaminantes telles que de la suie, du noir de carbone ou de l'oxyde de carbone. 8. Procédé pour atomiser un combustible liquide dans un brûleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soumet tout d'abord le combustible liquide à une atomisation primaire pour créer un mélange d'air et de combustible liquide atomisé, on injecte ce mélange dans un tube de flamme et 1 'on soumet ce mélange à une atomisation secondaire dans le tube de flamme pour produire une flamme extrêmement intense. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractéris en ce que l'on injecte l'air ayant subi une atomisation primaire dans une zone confinée, que l'on y injecte des courants d'air pour produire une atomisation secondaire, l'on admet de l'air secondaire dans cette zone confinée pour mélanger l'air secondaire avec le combustible ayant subi une atomisation secondaire et l'on brûle le combustible ayant subi une atomisation secondaire avec l'air secondaire pour produire une flamme extrème- ment intense.