Brevet FR2490786A1 — publié le 19820326

L'invention concerne la combustion turbulente et plus particulièrement, mais non exclusivement, les flammes turbulentes de prémélange. On recherche actuellement à la fois un rendement de combustion optimal et une pollution minimale par les produits de combustion. lais, les moyens de contrôle actuellement connus à cet effet - pyromètres optiques ou thermocouples, par exemple - ne donnent pas véritablement satisfaction. La présente invention vient améliorer sensible- ment la situation, et ce avec des moyens simples et effi- caces. Pour cela, on prévoit un procédé de commande d'une flamme turbulente, selon lequel on détecte le ni- veau de bruit acoustique produit par la flamme, on engendre un signal pilote relié au niveau de bruit acoustique détec- té, et l'on ajuste les conditions de combustion de façon à maintenir le signal pilote sensiblement sur un extremum. Cet ajustement peut porter notamment sur la proportion de combustible ou sur la proportion de comburant. Dans le cas d'une flamme de prémélange à débit constant, il a été observé qu'en utilisant un signal pilote défini uniquement à partir du niveau de bruit dé- tecté, on maintient aisément une richesse de mélange de 0,9 environ, pour laquelle la pression acoustique dé- tectée passe par un maximum. Le signal pilote peut, en variante, être défini comme le rapport du niveau de bruit détecté au débit de l'un des constituants de la flamme en amont de la combustion. En rapportant le niveau de bruit au débit de combustible, on déplace le maximum vers les mélanges pauvres. La détection du niveau de bruit acoustique se fait dans une bande de fréquences prédéterminée, choi- sie en fonction des constituants amont de la flamme. Dans la plupart des cas, cette bande de fréquences est située en dessous d'environ 3000 Hz. La bande de fré- quence peut présenter une largeur de rTueiiues cen- tainesde Hertz, ou,en variante,s'étendre de zéro à une fréquence de coupure inférieure à 3000 Hz. L'invention s'applique en particulier à la combustion turbulente, et notamment aux flammes turbu- lentes de prémélange, à combustibles gazeux ou liquides à base d'hydrocarbures. A cet égard, l'invention propose une sonde microphonique, qui comporte: une enceinte, avantageusement à circulation de fluide de refroidissement, à une extrémité de cette enceinte, une tête de sonde définissant un fin canal étroit, 15. sur le côté intérieur de la tête, une cavité, fermée par une membrane de microphone, et un montage transducteur acoustique coopérant avec ladite membrane. De préférence, le canal est sensiblement rec- tiligne. Avantageusement, le canal, la cavité et la mem- brane sont agencés en résonateur de Helmholtz amorti. Dans une variante de réalisation, un matériau acoustiquement amortisseur est disposé dans la cavité en regard de la membrane. Selon un mode de réalisation particulier, le transducteur acoustique est agencé en microphone à conden- sateur avec préamplificateur. De son côté, l'enceinte à circulation de fluide comprend une partie externe généralement cylindrique en- tourant l'ensemble y compris la tête de sonde, et une partie interne, à circulation séparée, entourant la cavité et le montage transducteur acoustique. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront à la -lecture de la description dé- taillée qui va suivre; celle-ci fait référence aux dessins annexes, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une sonde microphonique selon l'invention; et - la figure 2 est un graphique illustrant deux cas de courbe de réponse de la sonde. Des essais d'analyse en fréquence ont été effectués pour des flammes prémélangées turbulentes CH 4-O 2-N2 et H2-O 2-N2. Dans les deux cas, le bruit de combustion se manifeste, à débit total constant, par un spectre continu passant par un maximum pour des fréquences de l'ordre respectivement de 350 et 700 Hz. Dans le premier cas, l'intervalle de fréquences à niveau moitié est d'environ 550 Hz; dans le second cas, il est d'envi- ron 650 Hz. Par ailleurs, on a fait varier la composition de flammes prémélangées CH 4-O 2-N 2- en retenant comme para- mètres la richesse r de la flamme, sa dilution a par l'azote, et la vitesse moyenne des gaz à la sortie du brûleur, notée u. Plus précisément, r et a sont définis comme suit (CH 4' L ( 2) Jréel r- r(CH 4)1 ([2 Jtoechiométrique avec (C4)= 0r5 (Ov) j stoechiométrique a =_ (N 2) (N2) + (CH4) + (02) pour diff^rentes dilutions nar l'azote, la pression acous- tirue mesurée 'asse uarLr un net raxirum autour de la ricnesse 0,9; pour une flamme de méthane brûlant avec de l'air, à débit constant, cela correspond à un excès d'air d'envi- ron 10 % en volume. Un réglage de la flamme correspondant au maximum de pression acoustique serait donc un réglage optimum pour des brûleurs industriels: il permet d'avoir un bon rendement thermique tout en évitant les risques d'une combustion imparfaite et polluante. Le "signal pilote" dont l'extremum sert à ajuster les conditions de combustion est alors purement et simplement le niveau de bruit détecté. Et le débit de combustible est réglé de sorte que le signal pilote reste au voisinage de son maxi- mum. En variante, on obtient des réglages différents en utilisant le rapport du signal de pression acoustique à un signal par exemple proportionnel au débit de combus- tible. Dans ce cas, l'emplacement du maximum se déplace vers les mélanges pauvres (r = 0,8 à 0,9), le maximum demeurant bien marqué. D'autres essais ont montré que des brûleurs industriels brûlant du gaz ou du fuel-oil se comportent de manière semblable. Les expériences préliminaires exposées ci- dessus ont été menées à débit global constant. En pratique, dans les applications industrielles, le débit global varie, puisqu'on agit essentiellement sur le débit de combustible, les autres débits (air, ou autre --lance oxygène plus azote, par exemple) demeurant sensiblement constants. Des expériences ont été conduites à débit global variable avec une flamme turbulente prémélangée CH4- 2-N2. Le signal de pression acoustique a fait l'objet d'un filtrage éliminant les basses fréquences. Il est alors apparu que le maximum de bruit de combustion est obtenu pour une composition globale des gaz très proche de la stoechiométrie (r = 1 au lieu de r = 0,9 précé- demment). En prenant comme signal pilote le rapport du signal de pression acoustique à un signal représentant le débit de méthane (CH4), on peut ramener le maximum du signal pilote aux environs de la richesse r = 0,9 (condi- tions de réglage optimales avec léger excès d'air, pour un bon rendement de combustion avec pollution minimale). Il apparaît donc que le procédé décrit ci-dessus est assez souple pour s'adapter aux conditions de fonc- tionnement réelles des brûleurs industriels. La présente invention offre tout particulière- ment une sonde microphonique destinée à être introduite dans une chambre de combustion. Illustrée en schéma de principe sur la figure 1, cette sonde comporte tout d'abord une enceinte, de préférence avec circulation de fluide de refroidissement, réalisée en deux parties. La partie extérieure est consti- tuée par exemple d'une cavité cylindrique annulaire Il; une tubulure 12 amène de l'eau à l'intérieur de la cavité, aussi près que possible du bord gauche exposé à la chaleur. La partie interne comporte de même une cavité cylindrique annulaire 1 3, avec une tubulure d'admission 14 entrant profondément, et assure de préférence un refroidissement séparé. La partie interne ne va pas jusqu'au bout de la partie externe de l'enceinte, afin de laisser la place pour loger une tête de sonde i5, percée d'un fin canal, étroit, noté 16. Les canaux de la partie interne peuvent être réalisés d'un seul bloc avec la tête de sonde. Le matériau de celle-ci est avantageusement conducteur, cuivre par exemple. Enfin, une place est laissée dans l'axe à l'intérieur de l'enceinte. Cette place définit tout d'abord une cavité 20, en communication avec le canal 16, et fermée à l'oppo- sé de celui-ci par une membrane sensible 25. Pour tenir la membrane 25 tout en fermant bien la cavité, on peut utiliser une bague cylindrique 26. L'ensemble canal et cavité forme un résonateur acoustique de Helmholtz amorti Un amortissement plus important est obtenu en plaçant dans la cavité, à l'opposé de la membrane 25, une rondelle de caoutchouc 27, percée au droit du canal 16. La membrane sensible 25 fait partie d'un mon- tage transducteur acousto-électrique 30. Avantageusement, la membrane 25 est du type microphone à condensateur, suivi d'un préamplificateur. En pratique, on peut simplement remplacer le capuchon d'un microphone à condensateur du commerce par la bague filetée en cuivre 26, ce qui assure un bon posi- tionnement de la membrane sensible. En pratique, la tête de sonde 15 est disposée de façon à affleurer juste le bord externe gauche de l'enceinte délimitée par la partie externe cylindrique Il. On assure ainsi un bon refroidissement de la tête. La partie interne 13 assure un refroidissement complé- -mentaire, si nécessaire, pour le microphone et son préam- plificateur. A cet égard, il est souvent préférable de refroidir la partie interne avec de l'eau à 50-60'C, afin d'éviter une condensation de vapeur d'eau sur la face externe de la tête de sonde i5. Il est plus important de prendre soin que le circuit de refroidissement soit exempt de bulles d'air, afin d'éviter des bruits parasites, au moins dans la partie interne 1 3 du circuit de refroi- dissement. Par ailleurs, il est apparu que le fin canal 16, ici rectiligne, assure une bonne protection de la membrane 25 contre la chaleur rayonnant des parois de la chambre de combustion. Si nécessaire, on pourra donner au canal 16 une forme différente. La fréquence de résonance dépend notamment du canal 16 (section et volume) ainsi que du volume de la cavité 20. On peut ajuster ces paramètres pour obtenir la fréquence de résonance désirée, en donnant autant que possible au canal 16 une longueur faible. Les courbes I et Il de la figure 2 illustrent la courbe de réponse du microphone respectivement sans et avec la rondelle amortissante 27. Dans le premier cas, on obtient un fort gain au voisinage de la fréquence de résonance (environ 7 à 800 Hz). Dans le second cas, on obtient une réponse linéaire passe-bas jusqu'à une fré- quence de coupure (environ 650 Hz), proche de la fréquence de résonance, la coupure intervenant ensuite très brusaue- ment. La sonde microphonique proposée convient donc particulièrement bien pour la détection du bruit de com- bustion, et la régulation de la combustion selon le procédé exposé plus haut. Suivant les applications, on prendra soit la sonde peu amortie (courbe 1, fig. 2)-soit la sonde passe-bas sans amplification (courbe II, fig. 2). On y ajoute de préférence un filtrage de fré- quence passe-haut complémentaire en sortie du préamplifi- cateur. En effet, le demandeur estime actuellement préférable que la bande de fréquences utilisée pour la régulation soit coupée du côté des basses fréquences, en dessous d'un seuil fixé à quelques centaines de Hertz (l 00 à 300 Hz pour la plupart des applications). La régulation autour du maximum du signal pilote peut se faire par exemple comme suit: on mémorise deux valeurs antérieures du signal pilote, ainsi que les variations du débit de combustible effectuées entre ces deux instants antérieurs, et jusqu'à la valeur présente du signal pilote. On peut alors voir si le signal pilote tend vers un maximum, et décider le sens de la nouvelle variation du débit de combustible. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, et s'étend à toute variante conforme à son esprit. On pourra utiliser notamment des transducteurs autres que du type à conden- sateur, et éventuellement se passer alors du préamplifi- cateur incorporé à la sonde. Des transducteurs en une forme d'énergie autre qu'électrique peuvent aussi être envisagés. Le refroidissement peut alors être simplifié, voire supprimé. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'une flamme turbu- lente, caractérisé par le fait que l'on détecte le niveau de bruit acoustique produit par la flamme, que l'on engendre un signal pilote relié au niveau de bruit acous- tique détecté, et que l'on ajuste les conditions de combustion de façon à maintenir le signal pilote sensible- ment sur un extremum. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le signal pilote est défini unique- ment à partir du niveau de bruit détecté. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le signal pilote est défini comme le rapport du niveau de bruit détecté au déSbit de l'un des constituants amont de la flamme. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on détecte le niveau de bruit acoustique dans une bande de fréquences prédéterminée, choisie en fonction des constituants amont de la flamme. 5. Procédé selon la revendication 4, caracté- risé par le fait que la bande de fréquences est située en dessous d'environ 3000 Hz. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et , caractérisé par le fait que la largeur de bande de détection est de quelcues centaines de Hertz. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la flamme est une flamme turbulente de prémélange. 8. Sonde microphonique permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte une enceinte (11, 13), 2490786 à une extrémité de cette enceinte, une tête (15) de sonde définissant un fin canal étroit (16), sur le côté intérieur de la tête, une cavité (20), fermée par une membrane de microphone (25), et 5. un montage transducteur acoustique (30) coopérant avec ladite membrane. 9. Sonde microphonique selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le canal (16) est sensible- ment rectiligne. 10. Sonde microphonique selon l'une des reven- dications 8 et 9, caractérisée par le fait que le canal (16), la cavité (20) et la membrane (25) sont agencés en résonateur de Helmholtz amorti. 11. Sonde microphonique selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'un matériau acoustiquement amortisseur (26 et/ou 27) est disposé dans la cavité au regard de la membrane. 12. Sonde microphonique selon l'une des reven- dications 8 à 11, caractérisée par le fait que le trans- ducteur acoustique (30) est agencé en microphone à conden- sateur avec préamplificateur. 13. Sonde microphonique selon l'une des reven- dications 8 à 12, caractérisée par le fait que l'enceinte, à circulation de fluide de refroidissement, comprend une partie externe (11) généralement cylindrique entourant l'ensemble y compris la tête de sonde, et une partie interne (13), à circulation séparée, entourant la cavité et le montage transducteur acoustique.