Brevet FR2482876A1 — publié le 19811127

La présente invention concerne la pulvérisation de liquides en tres rifles gouttelettes (aérosolisation) soit en vue de recouvrir un objet d'une tinte couche réguliere de peinture ou vernisou tout autre rev8tement, soit en vue d'injecter un carburant sous norme pulvérisée dans une chambre de combustion ou il brayera d t autant plus facilement et d'autant plus complètement que la pulvérisation aura été plus fine. Un décrira plus complètement la présente invention à propos de La pulvérisation de carburants sans que cette application soit exclusive. La pulvérisation électrostatique telle qu'elle se pratique actuellement consiste à placer le liquide à pulvériser dans un champ électrique élevé quigdtune part, provoque une ionisation du liquide, ctest-à-dire une génération de charges électriques au sein du liquide, et d'autre part provoque une accélération du liquide et des pressions de répulsion de chargesde même signe telles que le liquide qui pénètre en jet dans la chambre de combustion y explose en se pulvérisant finement comme on le désire. be problème essentiel que l'on rencontre dans ce procédé de pulvérisation est qu'il ne s'applique qutà des liquides polaires (c'est-à-dire susceptibles de s'ioniser ou d'acquerir une charge positive ou négative facilement en présence d'un champ électrique) ou a des liquides rendus polaires par l'adjonction d'un liquide fortement polaire. Or, la plupart des carburants couramment utilisés, qui sont des hydrocarbures, ne sont pas des liquides polaires, de sorte qu'on a eté réduitdans la technique antérieure à les mélanger à un adjuvant fortement polaire, dans une proportion d'environ 10 Fo, adjuvant qui est consommé avec le carburant et qui augmente donc le cotit de revient du carburant sans augmentex la production d'énergie thermique qui est essentiellement tournie par la combustion du carburant et non de l'adjuvant. l,a présente invention propose de remédier a cet inconvénient en permettant, par un procédé qui évite le mélange d'un adjuvant fortement polaire au carburant, de créer maigre tout des charges electriques au sein du carburant en présence d'un fort champ électrique. L'invention résulte de ltobservation inattendue selon laquelle on peut assimiler la surface de contact entre le carburant nonpri?aire en écoulement laminaire et un liquide auxiliaire fortement polaire non mis cible avec le carburant et pratiquement stationnaire au-Gessous delui, a une jonction de transistor sPY dans laqueile circulent des charges provenant de l'existence de "donneurs" ayant un électron pratiquement libre et d'accepteurs" ayant un trou, c'est-à-dire un manque d'é- lectron qui constitue un porteur ae charge positive mobile , au meme titre que l'électron d'un donneur qui est un porteur de charge négative. Ainsi, le liquide non polaire (le carburant) jOue un rtle analogue a un milieu semi-conducteur intrinséque (sans porteurs majoritaires) qui au contact du liquide polaire est "dopé" par des molécules ionisables du liquide polaire auxiliaire qui joue le rible d'une impureté rendant extrinsèque le liquide non polaire. En présence d'un champ électrique important, la dissociation ou la polarisation des molécules de liquide polaire crée une accumulation dtaccepteurs au niveau de la jonction entre les deux liquides et les donneurs sont créés au sein du carburant non polaire. II en résulte une accumulation accélérée de chartes d'un seul signe au sein du liquide non polaire, et cette accumulation couplée au mouvement d'écoulement laminaire du liquide non polaire provoque une accélération de ce liquide et l'explosion du jet de liquide a sa sortie dans la chambre de pulvérisation, sous l'effet de la violente répulsion mutuelle de toutes les charges de meme signe accumulées dans le jet. C'est cette explosion, due à l'accumulation accélérée de charges dans le liquide qui provoque la pulvérisation très fine désirée du liquide non polaire. Quant au liquide auxiliaire fortement polaire qu'on met en contact, sans le mélanger, avec le liquide non polaire, il n'est pas consommé car il ne s'écoule pas avec le liquide non polaire mais reste en place si on a pris soin de choisir comme liquide auxiliaire un liquide non miscible avec le carburant polaire et ayant une très faible tension de vapeur. On se trouve en somme en présence d'une polarisation par contact, qui reussit à modifier les charges électroniques au sein d'un carburant ou d'un liquide non polaire, donc pouvant å priori difficilement engendrer une accumulation de charges, par simple passage de ce liquide non polaire à proximité très étroite d'un réactif fortement polaire placé dans un champ électrique important dont une fonction est de faire en sorte que des liaisons fortement "acceptrices" soient créeesà la surface du liquide polaire au contact du carburant non polaire. Des charges négatives seront aspirées par le liquide polaire de sorte que le carburant deviendra chargé positivement et donnera lieu à 11 accumulation de charges jusqu'à l'explosion par répulsion mutuelle. S'il y a accumulation accélérée de charges et augmentation de pression électrostatique jusqu'à explosion, dest parce que les caractéristiques fortement polaires du liquide auxiliaire en contact avec le carburant doenient lieu , en présence d'un champ électrique important, à une injection forte de charges au sein du carburant. S'il y avait injection faible, on n'irait pas jusqu'à l'explosion et on se trouverait simplement en présence de turbulences. On peut dire en gros que ltaccelération de l'accumulation de charges et de la pression électrostatique est constante pour un couple donné liquide non polaire/liquidé polaire et pour une tension électrique donnée, et cette accélération est fonction du nombre d'accepteurs et de donneurs créés dans les liquides. Le procédé de pulvérisation électrostatique d'un liquide non polaire est donc caractérisé selon la présente invention par le fait qu'on fait passer le liquide non polaire en contact avec un liquide auxiliaire polaire non miscible avec lui et ayant une faible tension de vapeur, et qu'on applique un champ électrostatique important dans la région de contact des deux liquides sans mélanger les~liquides. St principe le champ électrostatique est pulsé de manière a provoquer des explosions successives du jet, à une fréquence contrdlée en fonction du débit que l'on désire pour le carburant. rour mettre en oeuvre ce procédé de pulté- risation, on prévoit un appareil qui comprend une chambre de pulvérisation à parois électriquement isolantes dans laquelle est implantée une électrode et dans laquelle débouche un conduit métallique de faible diamètre, des moyens étant prévus pour amener simultanément dans le conduit le liquide non plaire,en écoulement laminaire,ainsl que le liquide auxiliaire polaire qui, lui, reste stationnaire en dessous du liquide non polaire. dl est prévu un réservoir dé liquide non polaire et un réservoir de liquide auxiliaire polaire et un système de maintien du liquide auxiliaire å un niveau constant correspondant sensiblement à l'axe du conduit métallique de faible diamètre Il s' agit en effet de faire en sorte que leliquide auxiliaire polaire reste stationnaire dans le conduit, c'est-à-dire qu'il ne s'écoule pas tout en restant en contact avec le liquide non-polaire qui a un écoulement laminaire. Un type de liquide auxiliaire polaire non mis cible avec un carburant tel que le kérogène et ayant d'autre part une rible tension de vapeur est par exemple le diacétone-alcool (6i11202). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention qui est raite en rérérence aux dessins annexés dans les quels - la figure 1 représente une coupe verticale longitudinale du dispositif de pulvérisation selon l'invention - la figure 2 représente une coupe horizontale du dispositif - la figure i représente une coupe verticale transversale du dispositif A la figure i, on voit une chambre de pulvérisation 10 dans laquelle on pulvérise un carburant, la chambre étant ouverte sur l'entrée d'une tuyère 1k dans laquelle le carburant pulvérisé stengouffre et sort en étant accéléré vers une chambre de combustion non représentée (chambre de combustion d'une chaudière à fuel domestique par exemple). la chambre de combustion 10 a des parois élec- triquement isolantes, ainsi d'ailleurs que la tuyère 12. Une électrode 14 pénètre a l'intérieur de la chambre de combustion et on applique un champ fortement négatif (par exemple) à cette électrode, cie préférence sous forme d'lmpulsionsoe courte durée et de fréquence fonction du débit de carburant désiré. lie carburant å pulvériser est amené dans la chambre 10 par un petit conduit métallique passant à travers les parois isolantes de la chambre (petit tube métallique 16 inséré de manière étanche dans un alésage percé dans la paroi de la chambre 10). Ce tube métallique débouche dans la chambre en faisant saillie légerement d'environ 2åBmillimètres en regard de l'extrémité de l'électrode 14. Etant donné le principe de l'invention, on ne peut augmenter le diamètre du tube métallique 16 audelà d'une certaine valeur sous peine de faire disparattre le phénomène d'explosion électrostatique. Si on veut avoir un débit de carburant plus important que celui que permet le diarnétre maximum du tube métallique 16, on prévoira, comme cela est visible à la figure 2, que plusieurs tubes métalliques de faible diamètre débouchent dans la chambre de pulvérisation. be carburant à pulvériser est contenu dans un réservoir 1U de carburant 18 en communication avec l'autre extrémité (celle qui ne débouche pas dar.s la chambre) du tube métallique 16. be passage au contact du carburant et d'un liquide auxiliaire fortement polaire s'effectue selon l'invention à l'intérieur du tube métallique 16 de faible diamètre, et pouroela, on s'arrange pour que la surface de contact entre les deux liquides reste dans l'axe (horizontal) de ce tube.Un réservoir 20 est donc prévu pour le liquide auxiliaire fortement polaire et non miscible avec le carburant. Be réservoir 20 de liquide auxiliaire communique à sa base gvec le réservoir 18 de carburant. tant donné les différences de densité des deux liquides non miscibles, on peut s'arranger pour que la surface de jonction entre les deux liquides, surface qui se situe å intérieur du réservoir 18, soit exactement à la hauteur de 11 axe du tube métallique 16.-Ainsi, cette surface de contact se prolongera a l'intérieur du liquide 16.On s'arrange pour obtenir cette hauteur de surface de jonction 22 en disposant dans les réservoirs 18 et 20 des conduites de trop plein respectives 24 et 26 qui ont pour fonction de limiter les niveaux de carburant dans les réservoirs å des hauteurs constantes, différentes pour l'un et l'autre des réservoirs et déterminés en fonction des densités des deux liquides de telle manière que la surface de contact 22 reste dans l'axe du tube 16. On peut agir par exemple sur les hauteurs des niveaux du liquide par des vis micrométriques 28 et 30 modifiant les positions des trop pleins 24 et 26. Bes parois des réservoirs 18 et 20 sont en matière isolante et une tension positive par rapport a l'électrode 14 est appliquee au combustible, par exemple au moyen d'une électrode non représentée plongeant dans le carburant et pouvant être simplement une électrode à la masse si unetension fortement négative est appliquée à l'électrode 14 de la chambre de pulveirisation. L'expérience et le calcul montrent que la longueur du tube métallique 16 ne doit pas étire trop importante pour conserver le phénomène d'explosion du jet de carburant en écoulement laminaire à l'inté- rieur de la chambre de combustion sous l'effet de l'accumulation de charges. On trouve qu'une distance den- viron 6 centimètres et en tout cas pas supérieure à lu centimètres permet à la fois une surface de contact suffisamment grande entre le liquide polaire et le liquide non polaire et une distance suffisamment courte pour ne pas empêcher l'explosion du jet à la sortie du tube métallique 76. L'explosion se fait environ 2 millimètres après la sortie du tube. En ce qui concerne le diamètre du tube 16, on trouve qu'un diamètre d'environ 0,8 millimètre est réalisable (en ferro-nickel). La tension qu'on peut appliquer entre l'électrode positive et l'électrode négative est d'environ 10 kvolt ; elle peut ëtre de + b kvolt sur 1'électrode positive et - d kvolt sur l'électrode négative, pour un couple de liquides qui serait d'une part du kérozène pour le liquide non polaire et d'autre part du diacétone alcool pour le liquide polaire. En fonctionnement, il reste en permanence dans le réservoir de carburant t8 une hauteur de liquide de 3 à 4 centimètres qui suffit à créer l'écoulement la- minaire désiré dans le tube métallique fin 16. On rappelle qu'il n'y a pas d'écoulement du liquide auxifaire qui reste pratiquement immobile à la même position et n'a que très peu besoin d'être renouvelé D'ailleurs la pression du carburant au-dessus du liquide auxiliaire à l'intérieur du réservoir 18 favorise 1 t absence d'écoulement du solvant tout en autorisant un écoulement du carburant. Les figures 2 et 3 ont été représentées pour faciliter la compréhension de la structure de l'appareil de pulvérisation selon l'invention : la figure 2 montre plus précisément le réservoir de carburant 18 dont la partie inférieure a été élargie pour permettre de disposer > buses d'injection de carburant dans la chambre de pulvérisation 10. A la figure 3, on voit la disposition du trop plein (réglable) 24 du réservoir de carburant. A la figure 4, on a représenté le détail de construction des tubes d'injection de carburant dans la chambre de pulvérisation. Ce tube 16 est un tube métallique, de préférence en terro-nickel, ayant environ 6,) centimètres de long, 0,8 millimètre de diamGtre à l'intérieur et 1,2 millimètre de diamètre extérieur, et il dépasse deSàjmqllimètres environ dans la chambre de pulvérisation. Le tube est logé dans l'alésage usiné précisément d'un matériau isolant usinable 32 lui mEme inséré dans un alésage de la paroi de la chambre de pulvérisation 10. Cette disposition provient de ce qu'il est plus facile de percer un alésage fin dans un élément 32 séparé avant son introduction dans la paroi de la chambre de combustion plutôt que de percer un trou très fin (1,2 millimètre de diamètre) directement dans la paroi de la chambre de pulvérisation. Le dispositif ainsi décrit a été expérimenté et a montré que l'on peut pulvériser parfaitement bien de maniere électrostatique un carburant non polaire tel que du kérozene avec une donsommation pratiquement nulle de liquide auxiliaire polaire (diacétone-alcool), ce qui réalise un progrès considérable par rapport à la technique antérieure où on devait mélanger le liquide polaire au kérogène et donc consommer ce liquide polaire. R3v3NVICAIONS 1. Procédé de pulvérisation électrostatique d'un liquide non polaire, caractérisé par le fait qu'on fait passer le liquide non polaire en contact avec un liquide auxiliaire polaire non miscible avec lui, ayant une faible tension de vapeur, et vv.'crA applique un champ électrostatique important dans la région de contact des deux liquides sans mélanger les deux liquides. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le champ électfostatique est pulsé, 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le liquide auxiliaire est un diacétone-alcool. 4. Appareil de pulvérisation électrostatique d1un liquide non polaire, caractérisé par le fait qu'il comprend une chambre de vaporisation à parois électriquement isolantes, dans laquelle est implantée une électrode et dans laquelle débouche un conduit métallique ae fai- ble diamètre, des moyens étant prévus pour amener simultanément dans le conduit le liquide non polaire en écoulement laminaire ainsi qu'un liquide auxiliaire polaire non miscible avec le premier et ayant une faible tension de vapeur, avec en outre des moyens pour appliquer une tension électrique élevée entre l'electrode et le tube métallique. St Appareil selon la revendication S, caractérisé par le fait qu'il est prévu un réservoir de liquide non polaire et un réservoir de liquide auxiliaire polaire, et un système de maintien du liquide auxiliaire à un niveau constant correspondant sensiblement à l'axe du conduit métallique de faible diamètre.