Brevet FR2332495A1 — publié le 19770617

On connait des chambres de combustion composées de 3 cylindres concentriques, formant 2 espaces annulaires dans lesquels circule l'air de combustion s'échad- fant tout en refroidissant le cylindre intérieur dit foyer (brevets NO 1.361.995 et 86.793). Ces chambres de combustion sont destinées à foncticnner comme générateurs de gaz chauds pour diverses utilisations industrielles comme par exemple le séchage de produits. Or, la présente invention vise une utilisation tout-à-fait différente de cet assemblage de 3 cylindres concentriques, à savoir non pas comme chambre de combustion produisant des gaz chauds, mais au contraire comme echangeur de chaleur refroidissant les gaz chauds produits à une température aussi basse que possible, afin de porter le comburant à une temperature aussi elevée que possible, de sorte à utiliser un minimum de combustible pour la masse de comburant débite, tout en dépassant une température d'oxydation comolete des hydro-carbures présents. Celle-ci est de l'ordre de 650 à 850"C, selon l'isotropie du mélange combustible. Le but d'une telle opération est l'oxydation de polluants combustibles contenus dans l'air avec un minimum de dépenses. A cet effet, afin d'augmenter les surfaces d'echange, les cylindres de la chambre de combustion seront prolongés au moins de 2 à 3 fois de la longueur nécessaire pour contenir la flamme, soit environ 6 fois le diamètre du foyer en vue de fonctionner comme échangeur de chaleur. De plus, les 3 cylindres seront entourés d'un 4ème cylindre concentrique et coaxial aux trois autres. Ce 4ème cylindre est obturé d'un côté par un fond bombé et raccordé de l'autre côté par l'intermediaire d'un collecteur au cylindre extérieur (cylindre N" 3). Le collecteur est muni d'une tubulure de sortie.Le comburant pollué est refoulé par une tubulure pénétrant tangentiellement dans le cylindre NO 3 et formant une capacite entre le fond obturant le 2ème cylindre d'un côté,(lequel est plus court que le 3eme) et la plaque obturatrice du même côté du 3ème cylindre. Du côté opposé, le 3eme cylindre se trouve réuni au ler cylindre, dit foyer, par un demi-tore ou un bord arrondi. Dans la capacité mentionnée formée par le 3ème cylindre et faisant office d'une chambre de mise en charge, prend naissance l'espace annulaire formé entre le 3ème et le 2ème cylindre. Le comburant refoulé dans le 3ème cylindre pénetre par conséquent dans cet espace annulaire etJarrivant à l'assemblage entre cylindre N" 1 et NO 3 change de direction, guidé par l'arrondi et les parois et pénètre dans l'espace annulaire formé entre les cylindres NO 1 et N" 2.Arrivé à la fin de cet espace annulaire, le comburant change de nouveau sa direction et s'écoule à l'intérieur du cylindre NO 1 (dit foyer) après avoir reçu au passage de l'arrondi terminant ce côté du foyer, une injection de combustible. Une fois la mise à feu du mélange effectuée, il y a propagation de flammes, donc combustion continue, entretenue par 1 1arrivée du comburant et l'injec- tion du combustible. Les gaz chauds issus de la combustion traversent la longueur du cylindre N"1, contournent à l'extérieur l'arrondi réunissant ce dernier au 3ème cylindre et pénètrent dans l'espace annulaire formé entre les cylindres NO 3 et N04. Les gaz s'écoulant dans cet espace annulaire se trouvent captés par le collecteur mentionné et sont finalement évacués par la tubulure montée sur ce collecteur. I1 résulte de cette description qu'un échange de chaleur s'effectue par la surface primaire du cylindre NO 1 chauffe de l'intérieur et refroidi à contre-courant de l'extérieur, d'une part, et par la surface secondaire, d'autre part, constituée par le 3ème cylindre chauffé de l'extérieur par les gaz brûlés provenant du foyer et refroidis de l'intérieur par le comburant froid refoulé dans l'espace annulaire entre cylindres N" 2 et NO 3, et ceci également à contre-courant, donc de façon méthodique. Selon cette technique, l'intensité d'echange, par unité de surface, est plus que décuplée par rapport à celle d'échangeurs classiques, toute autres conditions comme : "delta t" (différence de températures), perte de charge, composition du fluide etc étant égales. La raison en est que, grâce à un écoulement particulier du comburant decrit ci-après, les couches limites adhérant sur chaque face de la paroi et qui réduisent la transmission de chaleur en raison de la faible conductibilité des gaz, se trouvent renoûvelées à une vitesse très élevée, dépassant plusieurs fois la vitesse d'écoulement linéaire. Ce phénomène de renouvellement ultra-rapide des couches limites s'explique comme suit Le comburant, par son admission tangentielle, s'écoule en mouvement rotationnel et engendre, de ce fait, une force centrifuge se traduisant par une pression exercee sur la paroi intérieure du cylindre traversé et par un gradient de vitesse en augmentation à l'approche de la paroi. Ce gradient de vitesse est donc inversé par rapport à celui qui s'établit normalement dans un conduit cylindrique. Au mouvement rotationnel du comburant, se superpose le mouvement de translation qui est fonction du"" débit, alors que la vitesse linéaire rotationnelle est fonction du débit et de la section d'entrée, c'est-à-dire qu'elle est égale à la vitesse tangentielle d'admission. A la sortie du cylindre N" 3, le courant gazeux suit l'arrondi qui le dirige comme un déflecteur sur la surface extérieure du cylindre N" 1, alors que la force due à la rotation développe une composante en sens contraire. Ce phénomène antagoniste est d'autant plus prononcé et localisé qu'avant d'aborder l'arrondi, le courant gazeux "plaque" contre la paroi intérieure en raison du phénomène Coanda. En effet, la couche limite etant chassée, le gaz se trouve aspiré par le vide partiel créé ou, sous un autre aspect, poussé par la pression différentielle atmosphérique. Or, il est évident que le renouvellement de la couche limite qui dépend et découle des pulsations axiales et de la force centrifuge prend fin avec la disparition de ces 2 causes.Les pulsations et la force centrifuge disparaissent au sommet de l'arrondi "puisque à cet endroit, par la définition même du changement de direction, la composante radiale du mouvement rotationnel se convertit en composante axiale, tandis que les pulsations s'amortissent simplement devant une paroi solide. Bien que, au sommet de l'arrondi, la force centrifuge devienne nulle, le mouvement rotationnel persiste, étant donné que l'énergie cinétique se trouvant dans le mouvement rotationnel n'a pratiquement pas diminuée. En effet, on sait que le renouvellement de la couche limite réduit les pertes par frottement à des valeurs négligeables. Le courant gazeux, toujours animé d'un mouvement rotationnel, s'écarte de la paroi convexe vers laquelle il se trouve dirigé par déflection des le franchissement du sommet de l'arrondi, et s'approche de la paroi concave (intérieur du cylindre N" 2) sollicité par la force centrifuge.Ce décollage avec inversion du courant et création de turbulences constitue un obstacle infranchissable à la translation du courant; ainsi donc celui-ci devient nul pendant une fraction de 1/10 à 1/100sème de seconde. A débit nul, l'obstacle aéraulique disparaît et le conduit débite à nouveau pour se trouver à nouveau obtur & par de nouvelles turbulences. C'est ainsi que naissent des pulsations, qui s'accentuent et se superposent au mouvement rotationnel par lequel elles sont engendrées. Au 2ème ou 3ème inversement de la direction, le même phénomène se produit créant des pulsations d'une autre fréquence et d'une autre amplitude, dépendant de la pression initiale de l'air, de sa température et d'autres paramètres encore. Ce phénomène d'obturation périodique d'un courant d'air sans intervention d'obturateurs mécaniques comme : valves ou soupapes, pouvant être engendré par des dispositifs aérodynamiques divers, est appelé "clapet pneumatique" ou "soupape aérodynamique". Il est utilisé, par exemple, pour la propulsion d'engins (statoréacteurs). En l'occurrence, la création d'ondes de choc couvrant une certaine gamme de fréquences et d'amplitudes renouvelle les couches limites 10 à 30 fois plus vite que ne le fait un écoulement simplement turbulent. Comme les couches limites se trouvent renouvelées des deux côtés d'une paroi d'échange, la transmission de chaleur s'effectue avec la même intensité qu'entre deux liquides en circulation forcée, on obtient donc, avec une même surface, en régime pulsatoire et rotationnel un taux d'échange au moins 10 fois supérieur a celui d'un échangeur classique en régime turbulent. L'intérêt d'un tel appareil pour le but visé est évident : il permet, sous faible volume et avec un investissement réduit, d'économiser du combustible car rendant possible une combustion intégrale à l'intérieur du foyer en portant les gaz à la température de réaction, sans pour autant dépasser un"delta t" de 100"C soit par exemple 50 C à l'entrée et 15O0C à la sortie. Cependant, il existe des cas où l'utilisateur d'un tel épurateur par voie thermique a un certain besoin en calories, qu'il désire couvrir sous forme d'un fluide chaud intermédiaire. Cela peut se faire avantageusement, soit en refroidissant les gaz brûlés à un moindre degré, soit en augmentant le débit de combustible. Selon la technique mentionnée, on opère avec un excès d'air de 100 à 250%.Un tel excès d'air est tout à fait compatible avec une combustion intégrale, laquelle, contrairement à une opinion très répandue, n'est nullement conditionnée par le rapport air/combustible, correspondant à la limite inferieure de l'inflammabilite, mais exclusivement par l'homogenelte du mélange (ou plus exactement par son isotropie pendant la réaction) et par la temperature minimum de réaction; peu importe si cette temperature est due à la chaleur dégagée par l'oxydation ou au préchauffage du comburant comme en l'occurrence. Dans les 2 cas, il convient de réduire les surfaces d'échanges, ce que l'on réalise facilement en faisant avancer le distributeur de combustible à l'interieur du foyer. De ce fait, ce dernier ne participe plus avec toute sa longueur à l'échange. On peut ainsi augmenter, dans certaines limites, la température des gaz épurés, et utiliser la chaleur disponible par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur classique quelconque à d'autres fins industrielles. Un autre moyen d'utiliser la chaleur consiste à enlever la calotte obturant le 4ème cylindre et à raccorder à la bride devenue ainsi libre, un échangeur, lequel, de ce fait, recevra directement les gaz chauds dégagés par le foyer. Cet ensemble : chambre de combustion - échangeur de chaleur permet : de porter de l'air pollué, par des hydrocarbures par exemple, à des temperatures de combustion totale, donc de transformer des polluants en eau et acide carbonique, fluides inoffensifs, avec 10 à 20% des calories nécessaires en cas de combustion sans récupération de calories, et ceci sans une dépense prohibitive ou disproportionnée pour un échangeur du type classique comportant des- surfa- ces d'échange au moins dix fois plus grandes et necessitant, en outre, des conduits de très grand diametres et calorifugés donc un ensemble encombrant et coûteux. REVENDICATIONS Epurateur d'air pollué par la combustion des polluants avec récupérateur de chaleur intégré, composé de 3 ou 4 cylindres concentriques constituant 2 ou 3 espaces annulaires dans lesquels circule l'air à épurer en se réchauffant a contre-courant par échange de chaleur avec des gaz brûlés avant de pénétrer dans le cylindre central (Foyer proprement dit) dans lequel on introduit la quantité de combustible nécessaire pour atteindre par la combustion la température d'oxydation des polluants contenus dans cet air. Les cylindres sont désignés de l'intérieur vers l'extérieur par les NO 1 a 4. L'appareil est, en outre, caractérisé par les détails suivants, pris ensemble, isolément ou en combinaison quelconque: 1) le cylindre extérieur (NO 4) est obturé d'un côté par une plaque ou un fond bombé et se termine de l'autre côté par un collecteur d'un diamètre supérieur, de sorte à assurer un écoulement uniforme le long de ce cylindre. La plaque obturatrice ou le fond bombé sont amovibles afin de dégager l'accès du cylindre N" 1 et de permettre l'évacuation directe des gaz brûlés, 2) Le cylindre N" 4 est sensiblement plus court que le cylindre N 3 qu'il coiffe de sorte à permettre une alimentation directe du cylindre N" 3. Il se trouve fixé sur ce dernier par l'intermédiaire d'une bride permettant son montage et son démontage. La fixation a lieu par une contrebride faisant partie du collecteur mentionné : Ce dernier comporte un piquage d'évacuation des gaz. 3) Le cylindre N" 3 se trouve réuni au cylindre intérieur (N" 1 dit Foyer) par un arrondi constituant un demi-tore. Il est alimenté en air pollué- par un piquage tangentiel pratiqué dans la partie laissée libre par le cylindre NQ 4. Une plaque (dite : plaque façade) obture le cylindre N" 3, créant ainsi une chambre de mise en charge, laquelle assure une repartition uniforme de l'air insufflé pénétrant dans l'espace annulaire entre les cylindres N" 2 et NO 3 comme indiqué ci-après. 4) Le cylindre intérieur (NO 1 dit foyer) est obturé du côté opposé à l'arrondi d'assemblage avec le cylindre N" 3 par une calotte ou un fond bombé ayant un trou au milieu dont le bord est repoussé vers l'intérieur, de sorte a ressembler à un moule à gateau du genre savarin. Par ce trou médiane pénètrent et l'air et le combustible dans le foyer. Ce cylindre N" 1 est sensiblement plus court que le cylindre NO 2 de sorte à dégager un vide entre le fond du dit savarin et le fond bombé du cylindre N" 2 décrit ci-après. 5) Le cylindre N 2 est inséré de façon concentrique dans l'espace annulaire formé entre les cylindres N 1 et N 3 pour créer, par le cloisonnement, 2 espaces annulaires, à savoir : l'un entre les cylindres N 1 et N 2, et l'autre entre les cylindres N 2 et N 3. Le cylindre N 2 est obturé du côté opposé a son insertion par un fond bombé ou une calotte métallique comportant une ouverture pour le passage d'un conduit permettant l'introduction du combustible dans le foyer (cylindre N 1). 6) Le conduit d'introduction de combustible dans le foyer est fixé de façon à permettre son déplacement télescopique en vue de varier la longueur de la partie cylindrique du foyer exposé à la flamme et/ou aux gaz chauds. Il résulte de cette description que l'air pollué, introduit dans la chambre de mise en charge formée à l'arrière du cylindre N" 3, circule d'abord dans l'espace annulaire entre les cylindres N" 2 et N" 3, ensuite dans l'espace annulaire entre les cylindres N" 1 et 2, et pénetre dans le cylindre N" 1. L'air contenant des polluants reçoit au passage une injection de combustible. La mise à feu une fois faite, la combustion détruit tous les polluants combustibles grâce à l'élévation de la température en présence d'oxygene. Les gaz brûlés s'écoulent ensuite dans l'espace annulaire entre les cylindres N" 3 et 4, avant d'être évacués par la cheminée fixée sur le collecteur. L'air circulant à l'intérieur du cylindre N" 3 est donc réchauffé par les gaz chauds circulant à l'extérieur du N" 3,et il est également réchauffé par l'extérieur du cylindre N" 1 qui est lui-même chauffé à l'intérieur par la combustion des gaz.