Brevet FR2489482A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne les dispositifs destinés à pulvériser et à ménager des matières inflammables et a notamment pour objet un dispositif pour pulvériser un combustible, Un tel dispositif est principalement utilisé dans les foyers en tant que brûleurs, injecteurs et pulvérisateurs de matière première dans les industries chimiques et dans la fabrication de noir de carbone. Actuellement, il existe un problème important relatif à l'augmentation de l'efficacité de la combustion de dif ferventes espèces de combustibles et, notamment, des combustibles liquides sujets à la cokéfaction et des gaz ayant une teneur élevée en condensat dans des conditions de basses températures. Le problème est egalement.lié aux processus précédant la combustion, c'est-àdire, aux processus de pulvérisation et de dispersion des combustibles dans un oxydant air ou tout autre gaz contenant de l'oxygène. L'agencement des pulvérisateurs doit assurer la même dimension des gouttes de combustible liquide réparties régulièrement dasn le flux d'oxydant pour une large gamme de pression et doit permettre de maintenir une température constante du combustible pour maintenir la même viscosité. La qualité de pulvérisation influe sur les limites d'inflamma bilité et de stabilité de la combustion du combustible lorsque les foyers fonctionnent sous des charges variables.Les processus pulsatoires qui prennent naissance dans les dispositifs pulvérisateurs a haute intensité, de faible encombrement, provoquent des processus de combustion a autofluctuation, ce qui cause la destruction des foyers ou des conduites d'amenée de combustible et de comburant, La tendance à réaliser une pulvérisation de qualité aux régimes différents de fonctionnement des foyers conduit à une complication de la construction des dispositifs pour pulvériser le combustible, nécessite de faire appel à des blocs de régulation complémentaires, complique son organisation, ce qui a pour con séquence une baisse de la fiabilité des dispositifs.L'aérodynamique de la flamme et sa structure hydrodynamique dépendent dans une grande mesure des caractéristiques des dispositifs pour pulvériser les combuttibles caractéristiques qui, avec les caractéristiques des foyers, influent sur les processus de formation des oxydes d'azote-, de carbone et autres hydrocarbures non oxydes. On connaît un dispositif destiné à pulvériser les combustibles liquides à base d'hydrocarbures (cf. par exemple, le brevet britannique N01 210 69.e), comprenant une chambre cylindrique, destinée à faire tourbillonner le courant du comburant gazeux et équipée d'un dispositif d'amenée tangentielle du comburant et d'une buse cylindrique de sortie coaxiale à la chambre cylindrique, Le combustible est amené à la chambre par une tubulure présentant des orifices radiaux, destinés à diriger le combustible dans le flux de com-- burant gazeux. La pulvérisation du combustible dans le dispositif comprend deux phases : une.phase de pulvérisation mécanique à travers les orifices radiaux et une phase de pulvérisation pneumatique assurée par-le flux de comburant en rotation.Cependant, ce procédé de pulvérisation n'est pas suffisamment efficace pour les combustibles de nature visqueuse. En outre, l'aspiration des gaz chauds depuis le foyer vers l'extrémité de sortie de la tubulure d'amenée du combustible provoque une détérioration de l'extrémité de la tubulure, ce qui diminue le potentiel de vie et la fiabilité de fonctionnement du dispositif, On connaît aussi un dispositif pour pulvériser le char bon fin (cf, par exemple, le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 4 043 512 - 23.8.19-771 comprenant une chambre de tourbillonnement cylindrique à diamètre constant qui est équipée d'un dispositif assurant l'amenée tangentielle du comburant gazeux.La paroi frontale de la chambre présente une tubulure d' amenée de charbon fin. La pulvérisation du combustible n'est assurée que par l'énergie du comburant gazeux. Cependant une pulvérisation pneumatique pour faire tourbillonner du combustible ne permet pas de réaliser un mélange efficace et régulier du combustible et du comburant, ce qui provoque une diminution du rendement de. combustion ou bien une augmentation des oxydes d'azote ou de carbone dans les gaz d' échappements. L'absence de courants de refroidissement, in térieurs ou extérieurs, du comburant diminue la fiabilité et le potentiel de vie du dispositif. On connaît un dispositif pour pulvériser un combustible dans une chambre de combustion comprenant une chambre cylindrique équipée d'un dispositif faisant tourbillonner le courant d'air amené à ladite chambre qui est montée coaxialement à la chambre de mélange du combustible avec l'air et qui communique avec cette dernière a travers un conduit cylindrique contenant une tubulure cylindrique d'amenée de combustible qui porte un embout perforé, dont la pointe se trouve dans la chambre de mélange .du combustible avec l'air (cf. par exemple, le certificat d'auteur de 1'U.R.S.S. NO 588 79.3), Le taux non satisfaisant de la pulvérisation et du mélange du combustible avec le comburant s'explique par la diminution de la vitesse circonférentielle du comburant dans la chambre de mélange. En outre., lorsque le courant aspiré de produits résultant de la combustion est animé d'un mouvement de précession, les courants chauds en rotation s'approchent des parois internes de la chambre de mélange ce qui nuit à la fiabilité du dispositif en cas d'utilisation de combustible ayant des propriétés élevées de diffusion. L'invention a pour but de réaliser un dispositif pour pulvériser un combustible, dont la construction permet d'augmenter l'efficacité de la pulvérisation du combustible, la fiabilité et le potentiel de vie du dispositif. L'invention a pour objet à cet effet un dispositif pour pulvériser un combustible dans une chambre de combustion, comprenant une chambre cylindrique équipée d'un dispositif pour faire tourbillonner un courant d'air amené dans ladite chambre qui est montée coaxialement avec la chambre de mé lange du combustible avec de l'air et qui est mis en communi cation avec cette dernière a travers un conduit cylindrique contenant une tubulure cylindrique d'amenée de combustible portant un embout perforé, dont la pointe se trouve dans la chambre de mélange du combustible avec l'air, caractérisé, en ce que la pointe de l'embout perforé équipant la tubulure d'amenée du combustible se trouve à une distance 1-1 a 3 d de l'orifice de sortie de la chambre de mélange ( d étant le diamètre intérieur de la chambre de mélange) et cette chambre de mélange comprenant au moins une tubulure d'amenée d'air complémentai.re qui est située suivant une tan-- gente par rapport à la surface cylindrique à proximité immédiate de la paroi d'extrémité de la chambre de mélange et qui est destinée à assurer une pulvérisation pneumatique du combustible amené à travers l'embout perforé. Il et souhaitable que le dispositif présente un corps cylindrique disposé de façon que sa surface intérieure et la surface extérieure des chambres cylindriques forment une cavite circulaire d'amenée du courant d'air complémentaira dans la chambre de combustion et que la paroi avant du corps présente une fente circulaire pour le passage. du courant d'air complémentaire dans la chambre de combustion et pour son retour dans la chambre de mélange En prévoyant des tubulures complémentaires d'amenée tangentielle du courant d'air on a réussi à élever le taux de pulvérisation du combustible à la suite d'une augmentation du niveau de turbulence des courants à mélanger dans la chambre de mélange. L'introduction suivant la périphérie des courants d'air tangentiels assure la régularité du courant d'air, -de l'air en rotation (de l'oxydant) à travers sa section circulaire. Du fait que l'embout perforé de la tubulure d'amenée de combustible se trouve à une distance 1=1 à 3 d de 1' orifice de sortie de la chambre de mélange on stabilise le courant en rotation sur le faible parcours de la chambre de mélange et, par conséquent on assure la structure hydrodynamique du courant en rotation necessaire pour engendrer des oscillations acoustiques. Cela permet de compléter les phases de pulvérisation mécanique et de pulvérisation pneumatique par une phase de pulvérisation acoustique.La pulvérisation définitive s'effectue à La suite de la superposition des oscillations acoustiques, au moment où une quantité de chaleur considérable est déjà échangée entre les particules du combustible et de l'air Au centre du tourbillon du courant d'air complémentaire, il se forme un "cylindre rigide" qui tourne à une vitesse constante et qui est constitué par des produits du combustible pratiquement évaporé, de l'air (oxydant) et des courants de retour des produits de combustion, ce qui a un effet positif pour l'efficacité de la pulvérisation du combustible. Le soufflage de la paroi ex térieure du dispositif par une fraction du courant d'air utilisé pour le tourbillonnement complémentaire permet d'augmenter la fiabilité et le potentiel de vie du dispositif à la suite de la baisse de la température de la paroi.L'évacuation de l'air à travers une fente circulaire contribue à la protection de 1 'arête de sortie de la chambre de mélange grace un déplacement aérodynamique de la zone de courants de retour vers la chambre de combustion. L'écoulement direct des courants par une fente circulaire à proximité et tout autour de la colonne rotative de combustible pulvérisé permet de régler l'angle de son ouverture et, par conséquent de protéger les parois de la chambre de mélange contre les brfllures. D'autres caractéristiques et avantages de'l'inven- tion seront mieux compris à- la lecture de la descritption d'un exemple de realisation de l'invention en se référant au dessin annexé dans lequel la Fig. unique montre un dispositif pour pulveriser un combustible, monté dans une conduite d'amenée d'air vers une chambre de combustion (coupe longitudinale). Le dispositif pour pulvériser un combustible comprend une chambre cylindrique 1 avec un dispositif 2 servant à faire tourbillonner un courant d'air. Le dispositif 2 est un canal en spirale délimité par un filet carré multiple formé sur le corps 3 d'une tubulure cylindrique 4 d'amenée de combustible. La chambre cylindrique 1 est disposée coaxialement par rapport à une chambre 5 de mélange du combustible avec de l'air et communique avec cette dernière par un canal cylindrique 6 contenant la tubulure 4. Cette tubulure 4 est pourvue d'un embout perforé 7 dont la pointe se trouve à une distance 1=1 à 3 d de l'orifice d'entrée de la chambre 5 de mélange (d étant le diamètre intérieur de la chambre de mélange 5). Sur la paroi cylindrique de la chambre de mélange 5, suivant une tangente à la surface cylindrique, on a monté au moins une tubulure d'amenée 8 d'un courant d'air complémentaire (deux tubulures 8 sont prévues dans le.présent exemple), Les tubulures 8 sont disposées au voisinage immédiat de la paroi d'extrémité 9 de la chambre de mélange 5, L'air est amené dans la chambre de tourbillonnement 1 par une conduite 10 vissée au moyen d'un filetage 11 dans la paroi de la chambre 1. Le combustible est acheminé par une conduite 12 vissée au moyen d'un filetage 13 à la tubulure 4. Le dispositif comprend aussi un corps cylindrique 14 entourant les chambres 1,5 ; la surface intérieure du corps 14 et les surfaces extérieures des chambres 1,5 délimitent une chambre circulaire 15 prévue pour amener un courant d'air complémentaire dans.la chambre de combustion 16. Dans cet exemple, on a pratiqué dans la paroi avant 17 du corps 14 une fente circulaire- 18 destinée à. amener le courant complémentaire d'air à. une chambre de combustion 16. Le dispositif suivant l'invention pour pulvériser un combustible fonctionne de la manière suivante. Le courant d'air (ou de tout autre comburant gazeux) est canalisé sous pression dans la chambre 1 à travers le canal en spirale délimité par le filetage 2 et suivant la tangente à la surface cylindrique de la chambre 1. En se déplaçant radialement, le courant d'air augmente le moment angulaire des quantités de mouvement et, simultanément, se déplace en direction du canal 6. Dans le canal 6, la vitesse angulaire du courant d'air diminue légèrement en raison du frottement contre les parois du canal 6 et de la tubulure 4 d'amenée du combustible. Ensuite, le courant d'air pénètre dans la chambre de mélange 5 et commence à s'ouvrir (se dilater) tout en poursuivant son mouvement giratoire et en translation vers l'orifice de sortie, la direction étant indiquée par des flèches. A travers les orifices radiaux de l'embout perforé 7, des jets multiples de combustible tombent (radialement) dans la chambre 5 et se subdivisent en grosses gouttes de combustible sous l'action de la pression différentielle. La pulvérisation ultérieure des grosses gouttes est assurée par le courant d'air tourbillonnaire, après son ouverture. I1 se produit un courant d'émulsion finement dispersée qui commence à se mélanger avec le courant d'air complémentaire amené par les tubulures 8. Le courant d'air complémentaire présente le moment angulaire élevé des quantités de mouvement et, animé d'un mouvement giratoire en translation le long de la paroi de la chambre de mélange 5, commence à aspirer le contre-courant des produits chauds de combustion. Le courant d'air sortant de la fente 18 limite le courant s'écoulant de la chambre 5 et fait naître le contre-courant des gaz chauds. En se mélangeant avec l'émulsion de combustible finement dispersée le contre courant provoque une forte évaporation des gouttes du combustible. Entraîné par le courant d'air complémentaire (sous l'action des forces de frottement), le nouveau courant des produits de combustion et de l'émulsion combustible/air intimement melangée commence à tourner dans le même sens et à une vitesse constante à la façon d'un "cylindre rigide", Sous l'action des forces centrifuges asymétriques l'axe du "corps solide" central du tourbillon commence a s'écarter de l'axe physique de la chambre de mélange 5 et se met en mouvement de précession à une fréquence déterminée. La déformation du courant complémentaire par le contre-courant tourbillonnaire intérieur des produits de combustion et du mélange combustible-air provoque des oscillations acoustiques qui se superposent au courant du mélange combustible-air avant son écoulement par l'orifice de sortie de la chambre de mélange 5. Le mélange combustible/air obtenu et préparé à être brûlé est amené dans la chambre de combustion 16. La quantité d'air indispensable pour la combustion totale du combustible est amenée par la conduite 19 sous la forme d'un flux concentrique légèrement tourbillonnaire qui agit sur la flamme et permet de régler l'angle de son.ouverture. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour pulvériser un combustible dans une chambre de combustion comprenant une chambre cylindrique pourvue d'un dispositif destiné à faire tourbillonner le courant d'air amené dans ladite chambre montée coaxialement avec la chambre cylindrique de mélange du combustible et de l'air et mise en communication avec cette dernière par un canal cylindrique entourant la tubulure d'amenée de combustible avec un embout perforé, dont la pointe se trouve dans la chambre de mélange du combustible et de l'air, caractérisé en ce que la pointe de l'embout perforé 7 de la tubulure 4 d'amenée de combustible se trouve ,une distance 1=1 à 3 d de l'orifice de sortie de la chambre de mélange 5, d étant le diamètre intérieur de la chambre de mélange 5 et en ce que la chambre de mélange 5 comprend au moins une tubulure 8 d'amenée d'un courant d'air complémentaire, qui est tangente à la surface cylindrique et à proximité immédiate de la paroi d'extrémité 9 de la chambre de mélange. 5 et qui sert à pulvériser par air le combustible amené à travers l'embout perforé 7. 2, Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un corps cylindrique 14 contenant des chambres 1,5 , la surface intérieure du corps 14 et les surfaces extérieures des chambres cylindriques 1,5 délimitant une fente circulaire 18 destinée à amener le courant d'air complémentaire à la chambre de combustion 16, la paroi avant 17 du corps présentant ladite fente circulaire 18 servant à amener le courant.d'air complémentaire à la chambre de combustion 16 et assurer le retour de ce courant d'air dans la chambre de mélange.