Brevet FR2348751A1 — publié le 19771118

L'invention concerne les injecteurs employés dans les broyeurs à jet, les mélangeurs, les réacteurs, les canons pneumatiques et les appareils de constructions analogues qui utilisent l'accélération de particules de matériaux, y compris de gouttes, dans des jets d'un fluide gazeux porteur d'énergie, par exemple d'air ou de vapeur. L'invention peut entre utilisée dans toutes les branches de l'industrie faisant appel aux dispositifs en question(génie civil, matériaux de construction, extraction de minéraux, métallurgie, travail des métaux, chimie, produits alimentaires). On connaît un injecteur comportant une chambre dans laquelle le matériau introduit est mélangé à un fluide porteur d'énergie sortant en surpression d'une tuyère monts dans la chambre, et un tube d'accélération de forme cylindrique, ou évasée vers la sortie du matériau, ou bien convergeant progressivement en cône, tube qui se raccorde à la chambre du c8té opposé à celui de la tuyère et dans lequel le matériau en mouvement acquiers la vitesse nécessaire, Dans ce dernier cas, la configuration de la surface intérieure du tube d'accélération dans sa zone de sortie (terminale) est décrite par une courbe mathématique bien définies qui est une génératrice. L'inconvénient de cet injecteur connu comportant un tube d'accélération cylindrique ou évasé consiste en ce que la transmission de énergie cinétique du courant de fluide aux particules de matériau à accélérer est relativement faible. Après l'accélération des particules à partir de la vitesse nulle ou de la vitesse de départ minimale à ltentrée du tube d'accélé- ration Jusqu'à une vitesse établie maximale (dont la valeur est inférieure à celle de la vitesse établie constante du fluide), il y a une cessation jusque complète de la transmission de l'énergie aux particules. La longueur de la zone du tube cylindrique où s'effectue l'aecélaration est égale à au moins trois fois son diamètre. Lorsque le tube d'accélération est évasé, la vitesse de la veine diminue et le mouvement des particules se ralentit. La longueur minimale de la zone terminale (de sortie) de la surface intérieure du tube d'accélération convergent connu de l'injecteur, déterminée par sa configuration curviligne, conduit à ce que cette zone a la forme d'un seuil annulaire en bout du tube, ce qui provoque une usure locale intense. Par conséquent, le diamètre de la zone terminale du tube d'accélération, même dans le cas d'une dureté très élevée de son revétement, s'agrandit rapidement et la vitesse du matériau à la sortie de l'injecteur diminue rapidement. L'irrdgularitd de la forme de ladite usure locale, qui a toujours lieu, provoque aussitôt un changement de la direction de projection des particules accélérées par l'injecteur.Le rendement de ce dernier diminue brusquement, tandis que le débit du fluide porteur d'énergie, déterminé par la section constante de la tuyère de l'injecteur, reste le même. Dans le cas d'utilisation des inJecteurs à tubes d'accélération convergents précités dans un broyeur à jet à contre-courant, le rendement de ce dernier en présence d'une faible usure de la zone terminale (col du tube) diminue jusqu'à zdro. Un autre inconvénient de cet injecteur connu, en cas d'utilisation dans ce dernier d'un fluide porteur d'énergie sous haute pression, réside dans la difficulté de réaliser l'aspiration et l'acheminement, à partir de la chambre de l'injecteur vers le tube d'accélération, du milieu qui s'y trouve : gaz, liquide et matériau déplacé par l'injecteur. Cela s'explique par la surdétente notable, dans le cas en question, du jet de fluide porteur d'énergie des son échappement de la tuyère, le diamètre de la veine de matériau entraîné étant de ce fait quelque peu plus grand que celui du tube d'accélération. Il en résulte que l'énergie cinétique du jet de fluide porteur d'énergie à la sortie du tube d'accélération de l'injecteur connu n'est utilisée qu'à 60 environ. Ia consommation spécifique du revêtement du tube d'accélération convergent vers l'extrémité de l'injecteur connu dans le cas où le matériau déplacé par ce dernier est fortement abrasif, est tré. élevée par suite de la nécessité de replacer souvent tout le revêtement du tube ou une partie importante dudit revêtement lors de l'usure d'une partie de faible longueur de ce dernier, constitué. par le col sur la surface intérieure du tube d'accélération, à son extrémité. Dans la chambre de l'injecteur, si le diamètre d'entrée du tube d'accélération est insuffisant, apparaissent des courants tourbillonnaires opposés à celui du matériau arrivant dans l'injecteur et dans le tube d'accélération. Cela entrarne une perte inutile d'une partie de l'énergie cinétique du fluide porteur d'énergie, une usure élevée du revêtement de la chambre de l'injecteur autour de l'entrée du tube d'accélération , une pollution du matériau par les produits d'usure du revêtement et par la poussière trop fine résultant de l'action abrasive exercée sur le matériau lors de son entradnement suivant la surface de la chambre de l'injecteur par les courants tourbillonnaires qui, dans le cas considéré, apparaissent dans l'injecteur. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients mentionnés. On s'est donc proposé de créer un injecteur dans lequel la surface intérieure du tube d'accélération aurait une forme permettant de diminuer les dépenses en fluide porteur d'énergie et la consommation spécifique du revêtement dudit injecteur, notamment celui de son tube d'accélération, en comparaison des injecteurs connus, c 'est-à-dire d'augmenter son rendement et sa durée de service, d'obtenir une pureté élevée du matériau grace à la diminution de la quantité d'impuretés contenues dans celui ci, dues i l'usure du revetement, le débit du fluide moteur étant le mimer Ce but est atteint du fait que dans un injecteur pour appareil à jet, du type comportant une chambre dans laquelle le matériau à traiter introduit est mélangé à un fluide porteur d'énergie sortant en surpression d'une tuyère montée dans ladite chambre, et un tube d'accélération raccordé à ladite chambre et ayant pour fonction de communiquer au matériau la vitesse de déplacement nécessaire, suivant l'invention la surface intérieure du tube d'accélération est formée au moins de deux zones annulaires raccordées entre elles, dont l'une est cylindrique, tandis aue l'autre est une zone conique dont la partie convergente et orientée du côté de la sortie du matériau du tube d'accéldration, la longueur de ladite zone cylindrique étant au moins deux fois supérieure à celle de la zone conique. En cas d'utilisation, dans l'injecteur, d'un fluide porteur d'énergie sous haute pression, il est avantageux que la surface intérieure du tube d'accélération soit composée de trois zones annulaires raccordées entre elles, et qu'à la zone cylindrique se raccorde l'autre zone conique convergeant du cOté de la zone cylindrique. Un des modes de réalisation de l'injecteur, dans le cas d'introduction dans ce dernier d'un matériau abrasif, consiste en ce que la surface intérieure du tube d'accélération est exécutée de façon que sa zone conique se raccorde à l'autre zone cylindrique. L'idée essentielle de l'invention consiste en ce qui suit. La surface intérieure d'une zone du tube d'accélération est réalisée sous la forme d'un cône convergeant vers l'extrémité de sortie du tube, ce qui conduit à l'accélération de l'écoulement du fluide porteur d'énergie, due à la diminution de la section de passage du tube d'accélération. L'accélération de l'écoulement du fluide porteur d'énergie provoque une nouvelle accélération de l'écoulement, c'sst-à-aire une accélération supplémentaire des particules de matériau, due à l'utilisation d'une partie, non utilisée auparavant, de l'énergie cinétique du fluide sans augmentation du débit de dernier.Dans le cas d'une génératrice rectiligne de la surface intérieure de la zone convergente du tube d'accélération, son extrémité ne présente pas le col tranchant caractéristique du profil curviligne du tube convergent de l'injecteur connu. Grâce à la forme conique de la surface intérieure du tube d'accélération de l'injecteur, la partie convergente étant dirigée du c8té de la sortie du tube d'accélération, et grRee à l'accélération, provoquée par ce fait, du déplacement du matériau à la sortie du tube d'accélération de l'injecteur d'un broyeur à jet, lors de l'impact entre les particules projetées les unes à la rencontre des autres par les injecteurs orientés dans des directions opposées, la vitesse de rencontre de ces particules staccroft. Cela conduit à leur.brsyage et à leur mélange plus intenses pour une même consommation d'énergie que dans les injecteurs connus de ce genre, ainsi qu'à la possibilité de parfaire le broyage par projeetion des poudres fines et légères pour lesquelles la longueur de projection des particules est limitée et assez sensible à la variation de la vitesse de projection. L'utilisation de l'énergie cinétique du jet de fluide porteur d'énergie est augmentée de 30 à 80fui. Lorsque la mevme forme est utilisée dans l'injecteur d'un canon pneumatique ou un autre broyeur à projection, la zone desservie par cet appareil sans changement de position est augmentée. Grâce à la forme conique de la zone annulaire de la surface intérieure du tube d'accélération de l'injecteur b son extrémité et, de ce fait, à l'absence d'un rétrécissement brusque (col), l'usure de la zone terminale diminue, le diamètre requis de la zone correspondante du tube d'accélération est conservé de 2 à 3 fois plus longtemps, ce qui permet de diminuer respectivement de 2 à 3 fois la consommation spécifique du revêtement des tubes d'accélération de l'injecteur, ce revêtement étant généralement réalisé en matériaux très résistants et coûteux. Gracie au fait que la surface intérieure du tube d'accélération de l'injecteur, en cas d'introduction dans ce dernier de matériaux abrasifs, est réalisé de façon qu'à sa zone conique se raccorde une autre zone cylindrique dont le diamètre est égal au diamètre minimal de la zone conique, les écarts du diamètre en question par rapport aux diamètres calcules restent longtemps compris dans des limites tolérables, parce que la surface résistant à l'usure est, dans ce cas, augmentée et sa forme assure la meilleure tenue du matériau de revêtement du tube d'accélération de l'injecteur. Grâce au fait que, en cas d'utilisation dans l'injecteur d'un fluide sous haute pression, la surface intérieure du tube d'accélération est composée de trois zones annulaires se raccordant entre elles, et qu'à la zone cylindrique se raccorde une autre zone conique convergeant vers la zone cylindrique, le diamètre de la surface intérieure du tube d'accélération de l'injecteur au commencement du tube dépasse le diamètre de gabarit de l'écoulement de la matière avec le milieu l'entourant, entrané par le jet de fluide porteur d'énergie sortant de l'injecteur ; toute la veine en question est aspiré efficacement à l'intérieur de l'injecteur, est introduit aisément dans le tube d'accélération et refoulé parfaitement par la suite.Ceci prévient la formation de courants tourbillonnaires opposés au matériau amené dans l'injecteur et refoulé dans le tube d'accélération. En conséquence, le rendement de l'injecteur est augmenté de 20 à zou pour un m4me débit du fluide porteur d'énergie que dans un injecteur sans seconde zone conique précitée dans son tube d'accélération. Par ailleurs, l'usure du revêtement de la chambre de l'injecteur diminue de 10 à 20fui. La pollution du produit résultant du broyage, du mélange ou d'un autre traitement de ce dernier dans l'injecteur, tant par les produits d'usure du revêtement que par la poussière trop fine produite par l'action abrasive exercée sur le matériau lors de son entraSnement suivant la surface de la chambre de l'injecteur par les tourbillons engendrés dans la chambre, diminue en conséquence. Pour mieux expliquer l'invention, une description d'un mode de réalisation concret mais non liaitatif de l'injecteur conforme à l'invention est donnée dans ce qui suit, avec références au dessin unique annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un injecteur pour un broyeur à jet - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du tube d'accélération du même injecteur que sur la figure 1, dont la surface intérieure comporte deux zones annulaires coniques ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un tube d'accélération dont la surface intérieure comporte deux zones cylindriques. L'injecteur représenté sur les figures et les différents types de tubes d'accélération utilisés dans l'injecteur sont destinés à des broyeurs à jet dans lesquels s'effectue le broyage d'un matériau peu abrasif, par exemple de houille brune (lignite) ne contenant pas d'impuretés (non pollué) (figures 1 et 2), ou d'un matériau très abrasif, par exemple de sable de quartz (figure 3) par suite de ltentre-choquement des particules du matériau dans des courants mutuellement opposés du matériau accéléré par les injecteurs. 1' injecteur est constitué par une chambre i (figure 1), une tubulure 2 raccordée à la chambre pour l'amenée dans celleci du matériau à broyer indiqué ci-dessus, une tuyère 3 incorporée dans la chambre 1 et destinée à amener dans celle-ci un fluide porteur d'énergie, par exemple de la vapeur surchauffée sous une surpression ou pression relative de 3 à 7 atm. et un tube d'accélération 4 assemblé à la chambre 1 de façon que son axe longitudinal et celui de la tuyère se confondent. La chambre 1 sert à mélanger la houille brune broyée (ou le sable) avec la vapeur surchauffée. Le tube d'accélération 4 sert à transmettre l'énergie cinétique de la vapeur surchauffée, qui est détendue à la sortie de la tuyère 3 et a une grande vitesse à son entrée dans le tube d'accélération 4, au matériau broyé entraîné de la chambre 1 par le fluide moteur porteur d'énergie. L'injecteur, objet de l'invention, fonctionne comme suit. Le matériau à broyer (houille, sable) arrive par la tubulure 2 dans la chambre 1 de l'inJecteur, est entraîné par le jet de vapeur sortant de la tuyère 3 et est introduit, avec ce jet dans le tube d'accélération 4. Dans la zone cylindrique du tube d'accélération 4, les particules du matériau à broyer (houille, sable) sont accélérées jusqu'à une vitesse de 100 à 300 'ais par le courant de vapeur surchauffée se déplaçant à 300 900 m/s, et l'écoulement de vapeur surchauffée, en dépensant pour cette accélération la majeure partie de son énergie cinétique, subit une diminution correspondante de sa vitesse.Après l'accélération des particules de houille (de sable) jusqutà une vitesse déterminée pour le débit de vapeur surchauffée à travers la tuyère 3, la section transversale du tube d'accélération 4 & BR Conformément à l'invention, le tube d'accélération 4 a une surface intérieure constituée, à part la zone cylindrique "a" par la zone conique nb" se raccordant à ladite zone cylindrique et orientée par sa partie convergente vers la sortie du matériau du tube d'accélération. Les particules peu abrasives de houille brune, ayant acquis la vitesse d'accélération la plus élevée possible dans la zone cylindrique "a" de la surface du tube d'accélération, arrivent dans la zone conique "bU. Gracie au rétrécissement progressif de la section transversale du tube d'accélération, la vitesse de la vapeur surchauffée passant dans ce dernier recommence à augmenter. Ceci provoque une augmentation supplémentaire de la vitesse des particules de houille en suspension dans la vapeur sans augmentation supplémentaire du débit de vapeur.Pour cette accélération supplémentaire des particules, est utilisée, dans cas considéré, la partie de l'énergie cinétique de la vapeur qui ?1'est pas utilisée pendant l'accélération des particules dans la zone cylindrique du tube d'accélération. Grtce à la vitesse augmentée (jusqu'8 209) des particules de houille projetées des tubes d'accélération des injecteurs décrits, orientés l'un vers l'autre, du broyeur à jet, l'-intensité de leur broyage (fragmentation) lors de leur entre ehoquement est notablement plus élevée que dans les injecteurs connus. En cas d'utilisation d'un fluide porteur d'énergie sous haute pression (pression relative de 6 à 15 atm), avec brusque détente du jet de vapeur surchauffée s'échappant de la tuyère 3, il est avantageux d'employer dans l'injecteur le tube d'accélérateur 4 représenté sur la figure 2. La surface intérieure de ce tube d'accélération est composée de trois zones annulaires se raccordant entre elles : à la zone cylindrique se raccorde, outre la zone conique "b" décrite ci-dessus, une autre portion conique "c" convergeant du côté de la portion cylindrique "an. gracie au fait que le diamc'tre de la zone d'entrée dans le tube d'accélération est augmenté, tout le courant de houille ou de sable entraîné par le jet de vapeur surchauffée est introduit librement dans le tube d'accélération 4 et est poussé parfaitement à travers ce dernier sans provoquer la formation de tourbillons indésirables dans la chambre 1 de l'injecteur. En cas de broyage d'un matériau abrasif (sable), le tube d'accélération 4 de l'injecteur est réalisé comme montré sur la figure 3. A la zone conique "b" de la surface intérieure du tube d'accélération 4 est raccordée la zeconde zone cylindrique "d", Dans le cas d'une telle configuration du tube d'accélération, la masse du revêtement dans la zone cylindrique "d" s'oppose à l'usure rapide du bord terminal de la zone convergente de la surface intérieure du tube d'accélération, près de son extrémité, La durée de service du revêtement de ce tube d'accélération est augments de plusieurs fois (de 5 à 10 fois). Pour le broyage de matériaux abrasifs avec utilisation d'un fluide sous haute pression, on utilise des tubes d'accélération dont la surface intérieure est constituée par des zones de tous les types décrits ci-dessus : wa", "b", "c" et "d". L'invention peut autre efficacement utilisée dans toutes les branches de l'industrie où l'on fait appel à des appareils à jet dans lesquels est appliqué le principe de l'accélération des particules d'un matériau. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICAXIONS 1. Injecteur pour appareils à jet, du type comportant une chambre dans laquelle le matériau à traiter introduit est mélangé à un fluide porteur d'énergie sortant en surpression d'une tuyère montée dans ladite chambre, et un tube d'accélération raccordé à ladite chambre et servant à communiquer au matériau la vitesse nécessaire de déplacement caractérisé en ce que la surface intérieure du tube d'accélération est composée d'au moins deux zones annulaires raccordées entre elles, dont ltune "a" est cylindrique tandis que l'autre est une zone çonique "b" dont la convergence est orientée dans le sens dela sortie de matériau du tube d'accélération, la longueur de ladite zone cylindrique étant au moins deux fois plus grande que celle de ladite zone conique. 2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas d'utilisation dans celui-ci d'un fluide porteur d'énergie sons haute pression, la surface intérieure du tube d'accélération est composée de trois zones annulaires raccordées entre elles, dont deux sont constituées par ladite zone conique et ladite zone cylindrique, à laquelle est raccordée une deuxième zone conique "c" dont la convergence est orientée vers ladite zone cylindrique. 3. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas d'introduction dans ledit injecteur d'un matériau abrasif, la surface intérieure du tube d'accélération est rdalisée de façon qu'à sa zone conique "b" soit raccordée une deuxième zone cylindrique "d".