Brevet FR2477674A1 — publié le 19810911

La présente invention concerne les dispositifs utilisés pour la formation de mélanges, la pulvérisation et la dispersion de matières, et a notamment pour objet un dispositif aérodynamique de mélange de composants pour l'obten- tion de mélanges combustibles. Le dispositif en question peut être utilisé notamment en qualité de brûleur ou de buse dans les appareils de chauffage à foyer, en tant que dispositif de dispersion de réactifs, dans les procédés chimiques, ainsi qu'en tant que pulvérisateur de matières premières et de combustibles dans la production de noir de carbone. A l'heure actuelle, les caractéristiques principales des processus technologiques, elles que : rendement de combustion et température de la flamme lors de la combustion des combustibles, rendement et propriétés des produits de l'industrie chimique, dépendent de la qualité de la formation du mélange et de la pulvérisation des composants du mélange combustible. La tendance à utiliser, dans la pratique de la combustion des espèces de plus en plus visqueuses de combustibles liquides, des schlammes provenant des usines pétrolières, ainsi que des espèces fortement lestées de gaz naturels et de gaz d'échappement, nécessite un perfectionnement continuel des dispositifs de formation de mélanges et de préparation de mélanges combustible-air, L'obtention d'une flamme courte et lumineuse dont les limites se trouvent à une distance sensible des murs réfractaires des foyers permettrait d'élever la sécurité et le potentiel de vie des fours. L'élévation du rendement de combustion permettrait d'élever le rendement en noir. L'obtention d'un angle d'ouverture prédéterminé de la flamme de la matière première pulvérisée dans les courants à haute vitesse d'écoulement atteignant 600 m/s permettrait d'améliorer les propriétés renforçantes du noir utilisé en tant que charge active du caoutchouc dans la production des pneus et des articles techniques en caoutchouc. De~plus, les caractéristique aérodynamiques de la flamme et sa structure hydrodynamique dépendent dans une plus grande mesure des caractéristiques des dispositifs de mélange et de pulvérisation des mélanges combustibleair, qui en fonction des caractéristiques des dispositifs à foyer, influent sur le processus de formation d'oxydes d'azote, d'oxyde de carbone et d'aubes hydrocarbures non brûlés. On connaît un dispositif aérodynamique de mélange de composants pour l'obtention de mélanges combustible-air, comportant une chambre cylindrique pour le tourbillonnement du courant du composant gazeux du mélange combustible, amené à travers au moins une tubulure d'amenée du composant gazeux disposée au voisinage immédiat de la face frontale de la chambre cylindrique, tangentiellement à sa surface cylindrique, et évacué à travers une tubulure cylindrique d'évacuation dudit composant, disposée dans l'autre paroi frontale, coaxialement à ladite chambre. Dans cette chambre arrive le courant d'hydrocarbures gazeux. Celui-ci tourbillonne et se déplace radialement vers le centre de la chambre, ainsi que suivant une ligne hélicoldale vers la tubulure d'évacuation. En continuant son mouvement d'avance et de rotation simultanées à travers la tubulure d'évacuation le courant d'hydrocarbures atteint son orifice de sortie et s'échappe dans l'espace environnant où il se mélange avec un courant concentrique d'air amené sous forme d'un jet droit ou tourbillonnant légèrement. Le jet d'air est amené par une conduite dans laquelle est monté un dispositif aérodynamique.Ce courant tourbillonnant d'hydrocarbures s'échappant de la tubulure de sortie produit un contre-courant tournant dans le même sens mais se déplaçant dans le sens inverse. L'interaction des deux courants engendre des oscillations acoustiques qui sont utilisées pour le mélange de l'air avec le courant d'hydrocarbures et avec les produits de combustion. Toutefois, l'efficacité de la pulvérisation et du mélange des hydrocarbures est basse. En même temps, le tourbillonnement du courant d'hydrocarbures provoque des pertes notables. Le fait que l'amenée du courant d'hydrocarbures dans la chambre se fasse seulement tangentiellement et son évacuation, axialement, influe fortement sur la stabilité de la flamme au cours de la combustion du mélange airhydrocarbures. On s'est donc proposé de mettre au point un dispositif aérodynamique de mélange de composants pour-l'obtention de mélanges combustibles dont la conception permettrait d'élever ltefficacité de la pulvérisation des composants du combustible et de leur mélange, d'augmenter la puissance et d'améliorer la stabilité de la flamme du mélange combus tible-air en cours de combustion. Ce problème est résolu en ce que le dispositif aérodynamique de mélange de composants pour l'obtention de mélange combustibles du type comportant une chambre cylindrique pour le tourbillonnement du courant de composant gazeux du mélange combustible, amené à travers au moins une tubulure d'amenée de composant gazeux, disposée au voisinage immédiat de la paroi latérale de la chambre cylindrique, tangentielle. ment à sa surface cylindrique, et évacué à travers une tubulure cylindrique d'évacuation dudit composant, disposée dans l'autre paroi latérale coaxialement à ladite chambre, est caractérisé suivant l'invention en ce qu'il comporte une chambre cylindrique auxilaire pour le tourbillonnement du courant de composant gazeux du mélange combustible, disposée coaxialement à la chambre cylindrique citée en premier, ou chambre principale, et comportant au moins une tubulure d'amenée du composant gazeux disposée sur sa paroi cylindrique, tangentiellement à sa surface cylindrique, et une tubulure d'évacuation dudit composant,disposée coaxialement à ladite chambre auxilaire, et fixée par l'une de ses extrémités dans un orifice pratiqué dans la paroi latée de la chsmbre cyiindnque pincipsle demnière que son extrémité soib située dans ladite chambre cylindrique principale, le rapport d1/d2 entre les diamètres 4t intérieurs respectifs des tidhi d'eiacicn oes composants hors des chambres principale et auxiliaire étant choisi dans les limites de 1 à 3. Il est préférable que les tubulures d'évacuation des composants des chambres principale et auxiliaire soient de longueur identique Il est avantageux de pratiquer dans la paroi latérale de la chambre cylindrique auxiliaire un orifice axial pour l'amenée du composant liquide ou solide0 Il est rationnel que le dispositif comporte une tubulure pourvued'un embout perforé pour l'amenée du composant liquide ou solide, logée dans un orifice prévu dans la paroi latérale de la chambre auxiliaire, coaxialement à celle-ci, la face en bout de cette tubulure étant disposée à une distance de (0,1 à 3) d1 de la face en bout de la tubulure d'évacuation des composants de la chambre principale. La présence de la chambre cylindrique auxiliaire permet d'élever l'efficacité de la pulvérisation du combustible Le fait que les deux chambres soient montées en série permet de réduire la résistance hydraulique de la tubulure d'évacuation de la chambre principale et de diminuer ainsi les pertes pour le tourbillonnement du courant d'hydrocar- bures sans modifier la puissance des oscillations acoustiques engendrées, ainsi que d'améliorer la stabilité de la flamme du mélange combustible-air. La présence de la chambre auxiliaire permet d'amortir la précession du contre-courant central tourbillonnaire se formant au cours de la combustion et d'assurer ainsi le fonctionnement des tubulures d'amenée des hydrocarbures sans vibrations0 Le fait que le rapport entre les diamètres intérieurs des tubulures d'évacuation des composants des chambres principale et auxiliaire dans les limites soient compris entre I et 3 permet d'optimiser le processus de mélange des composants des hydrocarbures gazeux et d'élever de la sorte le rendement de combustion du mélange combustible-airO Le fait que la paroi latérale de la chambre auxiliaire soit pourvue d'un orifice permet d'élever l'efficacité de la pulvérisation et du mélange des gouttes d'hydrocarbures liquides ou des particules solides d'hydrocarbures avec les courants d'air tournant à des vitesses angulaires différentes qui fractionnent davantage les gouttes. Le fait que la face en bout de la tubulure pourvue d'un embout perforé soit située à une distance de (0,1 à 3) d1 de la face en bout de la tubulure d'évacuaction des composants de la chambre principale permet d'utiliser des hydrocarbures visqueux en évitant le risque de cokéfaction du combustible sur la surface intérieure des tubulures d'évacuation. En même temps la durée de contact des gouttes liquides avec les courants d'air s'accroit, ce qui améliore l'évaporation et le mélange du mélange combustible. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un dispositif aérodynamique pour le mélange de composants pour l'obtention de mélanges combustibles, conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue longitudinale du dispositif conforme à l'invention pourvu d'un orifice pratiqué dans sa paroi latérale pour l'amenée du composant liquide ou solide; - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale du dispositif conforme à l'invention pourvu d'une tubulure d'amenée de composant liquide ou solide, logée dans l'orifice de la paroi latérale. Le dispositif aérodynamique de mélange de composants pour ltobtention de mélanges combustibles comporte une chambre cylindrique 1(figure 1) pour le tourbillonnement du courant de composant gazeux du mélange combustible. Le courant de composant gazeux est amené par une tubulure 2 disposée au voisinage immédiat de la paroi latérale 3 de la chambre cylindrique 1, suivant une tangente à sa surface cylindrique0 Le courant de gaz est évacué de la chambre I par une tubulure cylindriqt1e 4 d'évacuation dudit composant, disposée dans l'autre paroi latérale 5, coaxialement à la chambre 1. Le dispositif comporte aussi une chambre cylindrique auxiliaire 6 destinée au tourbillonnement du courant de composant gazeux du mélange combustible et disposée coaxialement à la chambre principale 1.Sur la paroi cylindrique de la chambre 6, suivant une tangente à sa surface cylindrique, est placée une tubulure7d'amenée du composant gazeux, Une tubulure 8 d'évacuation du composant de la chambre auxiliaire 6 est disposée dans un orifice pratiqué dans la paroi latérale 3 de la chambre principale 1, de manière que sa face en bout soit située dans la chambre cylindrique principale 1. Dans la variante décrite les chambres 1 et 6 possèdent une paroi commune 3.Le rapport d1/d2 des diamètres intérieurs des tubulures 4 et 8 respectivement d'évacuation des composants est choisi de préférence dans les limites de 1 à 3 On obtient ainsi une baisse de la résistance hydraulique de la tubulure 4 et une élévation de la stabilité de la flamme pendant le processus de combustion. La chambre 6 est soudée par sa surface circulaire latérale à la chambre et forme avec celle-ci une construction monolithe, Le dispositif est logé insola conduite 9 d 'amenée d'air à la chambre de combustion 10, au voisinage imnélat de son entre. Les longueurs des tubulures 4 et 8 is chambres principsse et et aux liaire 1 et 6,respectivement, sont identiques. Un orifice 12 pratiqué dans la paroi latérale 11 (figure 2) de la chambre cylindrique auxiliaire 6 sert à amener le composant liquide ou solide. un bDs- - sage 13 pourvu d'un taraudage 14 est prévu sur la pamiX de lachambre 6pxr 7e raccordement de laconduite 15 d'amenée du composant liquide parl'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 16. I est possible d'utiliser une variante du dispositif conforme à l'invention selon laquelle, une tubulure 17 pourvue d'un embout perforé 18 pour l'amenée du composant liquide ou solide est fixée par l'une de ses extrémités dans l'orifice 12 (figure 3). Dans ce cas, la face en bout de la tubulure 17 est disposée par rapport à la face en bout de la tubulure 4, à une distance égale, de préférence à 0,1 à 3 fois le diamètre intérieur de celle-ci0 La tubulure 17 est fixée dans l'orifice 12 au moyen du taraudage 14 et ensuite raccordée à la conduite d'amenée de combustible par assemblage à bride 19. Le dispositif aérodynamique de mélange de composants de mélange combustibles est fixédanslaconduited'axmee 9delFir à la chambre de canbustion 10 suries maritant 20 par soudage le dispositif aeoedamique fonctionne de la manière suivante Le courant principal d'hydrocarbures est amené par la tubulure 2 (figure 1) dans la chambre 1 tangentiellement à la surface cylindrique de celle-ci sous une pression supérieure à 2,5 atmosphères, donc supérieure à la pression critique. En se déplacant radialement0 Le courant de mélange d'hydrocarbures augmente le moment angulaire de la quantité de mouvement avant même d'atteindre l'extrémité de sortie de la tubulure 4. Grâce à la chute de pression à la tubulure 4 et à la séparation du moment toSl de la quantité de mouvement au bord de sortie de la tubulure 4, le courant de mélange d'hydrocarbures, se déplacant en un mouvement simultané de rotation et de tozsslation à une vitesse angulaire pratiquement constante, débouche dans la chambre de combustion 100 Dans la chambre de combustion 10 le courant de mélange d'hydrocarbures se mélange avec le courant d'air arrivant par la conduite 9 et qui peut être légèrement tourbillonnant s'allume et crée une zone de contre-courants.Cette zone de contre-courants par suite de l'asymétrie, commence à osciller au voisinage ae l'axe géométrique de la tubulure 4 à une fréquence de 50 à 700 Hz en provoquant ainsi des oscillations acoustiques à cette même fréquence. En même temps, dans la chambre auxiliaire 6 arrive par la tubulure 7 un courant d'hydrocarbures qui se déplace radialement vers la tubulure 8. Par suite de la chute de pression, le courant se déplace à travers la tubulure 8 vers la tubulure 4. L'introduction d'un courant axial auxiliaire d'hydrocarbures dans la tubulure 4 modifie considérablement le gradient radial de la densité du courant dans la tubulure 4 ce qui diminue sa résistance hydraulique et réduit la chute de pression nécessaire à la production du tourbillon dans la tubulure 4. Etant donné que le diamètre de la tubulure 8 est habituellement inférieur au diamètre de la tubulure 4, la génération du tourbillon nécessite une plus faible chute de pression. Un rapport des diamètres d2 = 1 d1 assure une interaction maximale des courants 3 axial et principal dans la tubulure 4. Une plus grande diminution de ce rapport ne s'accompagne plus d'une réduction du gradient de la densité radiale dans la tubulure 4. Une augmentation de ce rapport entraine une modification importante de la structure de l'écoulement du courant dans la tubulure 4 et a pour effet de maintenir une valeur élevée de la résistance hydraulique du courant, ainsi que d'accroftre notablement la consommation d'énergie pour la création du moment angulaire de la quantité de mouvement. A une combinaison déterminée des vitesses angulaires et des vitesses de translation, le dispositif aérodynamique produit des oscillations de résonance à une fréquence f égale à a/41, où 1 est la longueur de la tubulure, et a, la vitesse du son. Les longueurs des deux tubulures 4 et 8 sont identiques. Dans le cas général, la longueur de chaque tubulure 4 et 8 est égale à au moins deux fois le diamètre de l'une des tubulures, respectivement, ce qui supprime les perturbations extérieures produites dans la section d'entrée des tubulures 4, 8. Dans le cas où on utilise un hydrocarbure liquide, on l'amène par la tubulure 17 (figure 3) à l'intérieur de la tubulure 4 sous une pression relative de 0,5 à 1 atm sous forme de jets radiaux crées par l'embout perforé 18. La face embout de la tubulure 17 est située à une distance de (0,1 à 3) d1 de la face en bout de la tubulure 4. Une diminution de ladite distance provoque un affaiblissement de l'interaction du contre-courant avec le courant de composants du mélange combustible, ce qui conduit à une baisse du degré de tourbillonnement des courants, qui contribue à une meilleure dispersion des gouttes d'hydrocarbures liquides dans les courants et augmente le degré de transmission de la chaleur des gaz chauds au gouttes Une augmentation de la distance entre la faceen bout de la tubulure 17 et la face en bout de la tubulure 4 n'est pas avantageuse pour les raisons suivantes.Pour la stabilisation du courant, il est préférable que la longueur des tubulures 4, 8 soit égale au minimum à deux diamètres et au maximum à 5 diamètres0 En effet, si cette valeur dépassait 5, les vitesses angulaires des courants de composants diminuent par suite de l'accroissement des forces de frottement. Etant donné que la vitesse angulaire du courant est'liée à la puissance et à la fréquence des oscillations acoustiques, la puissance et la fréquence de celleaci décroitraient et par conséquent l'efficacité de la pulvérisation diminuerait. D'autre part, un trop grand enfoncement de l'embout perforé 18 entrainerait la cokéfaction des gouttes d'hydrocarbures liquides non évaporées et déposées sur les parois relativement froides des tubulures de sortie 4, 8. On donne ci-dessous des exemples concrets mais non limitatifs de réalisations du dispositif faisant l'objet de l'invention. Exemple 1. L'air a été amené par la tubulure 9 (figure 1) à un débit de 1200 kg/h, à la température de 3500C et sous une pression relative de 0,1 atm. Le gaz naturel a été amené dans la chambre 1 du dispositif aérodynamique à 3 un débit de 35 nm et sous une pression relative de 0,8 atm. Le gaz naturel à été amené dans la chambre auxi liaire 6 à un débit de 35 nm3/h et sous une pression relative de 0,6 atm. L'interaction des courants tourbillonnaires d'air et de gaz arrivant de la chambre de combustion 10 a produit des oscillations acoustiques de 138 dB et de 10 Hz. Les longueurs des tubulures 4 et 8 étaient identiques. En comparaison des dispositifs connus, la puissance du dispositif aérodynamique a augmenté de 1,5 fois, alors que la consommation dténergie a diminué de 3 fois. Exemple 2. L'air a été amené par la tubulure 9 (figure 3) à un débit de 1200 kg/h, à la température de 3500C et sous une pression relative de 0,1 atm. L'air a aussi été amené dans les tubulures 4 et 8 des chambres principale et auxiliaire 1 et 6 sous une pression de 0,8 kg/cm2, tandis que de l'huile verte sous la pression de 0,8 kg/cm2 a été amenée par la tubulure 17. L'interaction des courants tourbillonnaires et de gaz provenant de la chambre de combustion a provoqué des oscillations acoustiques d'une puissance de 146 dB et d'une fréquence de 10 Hz. De l'huile pulvérisée sous forme de particules de 60 microns a été amenée à la chambre de combustion 10 où elle a été oxydée avec formation de noir de carbone. En comparaison des dispositifs connus, la puissance du dispositif aérodynamique a été accrue de 1,5 fois, alors que la consommation d'énergie a été diminuée de 3 fois. 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 de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Dispositif aérodynamique de mélange de composants pour l'obtention de mélanges combustibles du type comportant une chambre cylindrique pour le tourbillonnement du courant de composant gazeux du mélange combustible amené à travers au moins une tubulure d'amenée de composant gazeux diposée au voisinage immédiat de la face latérale de la chambre cylindrique, tangentiellement à la surface cylindrique de celle-ci et évacué à travers une tubulure cylindrique d'évacuation dudit composant, disposée dans l'autre paroi latérale de la chambre cylinddqge,coaxialement à ladite chambre, c a r a c t é r i s é en ce quLil comporte une chambre cylindrique auxiliaire pour le tourbillonnement du courant de composant gazeux du mélange combustible disposée coaxialement à la chambre citée en premier, ou chambre principale, et comportant au moins une tubulure d'amenée de composant gazeux disposée sur sa paroi cylindrique tangentiellement à sa surface cylindrique, et une tubulure d'évacuation dudit composant, disposée coaxialement à ladite chambre auxiliaire et fixée par l'une de ses extrémités dans un orifice pratiqué dans la paroi latérale de la chambre cylindrique principale de manière que son autre extrémité soit située dans ladite chambre principale,le rapport entre les diamètre intérieurs respectifs desdites tubulures d'évacuation des composants hors des chambres principale et auxiliaire étant choisi de préférence dans les limites de 1 à 3. 2. Dispositif aérodynamique conforme à la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que les tubulures d'évacuation des composants hors des chambres principale et auxiliaire sont de longueur identique. 3. Dispositif aérodynamique conforme à l'une des revendications 1 et 2 , c a r a c t é r i s é en ce qu'un orifice axial pour l'amenée du composant liquide ou solide du mélange combustible est pratiqué dans la paroi latérale de la chambre cylindrique auxiliaire. 4. Dispositif aérodynamique conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une tubulure munie d'un embout perforé pour l'amenéodudit composant liquide ou solide, fixée dans un orifice ménagé dans la paroi latérale de la chambre auxiliaire et disposée coaxialement à celle-ci. 5. Dispositif aérodynamique conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite tubulure à embout perforé est disposée de façon que sa face en bout soit situeepar rapport à la face en bout de la tubulure d'évacuation de la chambre principale à une distance égale à 0,1 à 3 fois le diamètre de ladite tubulure d'évacuation de la chambre principale.