Brevet FR2508141A1 — publié le 19821224

Appareil-de contrôle d'un brûleur La présente invention concerne les appareils de contrôle de brûleurs appelés à former la structure aérodynamique des flux circulaires de fluides gazeux. L'invention peut être utilisée dans les brûleurs d'installations brûlant des combustibles, plus par- ticulièrement les chaudières, o il est nécessaire de régler l'aérodynamique et le caractère de combus- tion des flammes pour optimaliser l'échange de chaleur. L'invention est surtout efficace lorsqu'elle est appliquée aux brûleurs mixtes destinés à brûler des combustibles dont les caractéristiques thermiques et physiques sont sensiblement différentes, par exemple gaz de haut fourneau et mazout. La tendance à élargir la gamme des combustibles introduits dans le bilan thermique est propre à de nombreux pays et surtout aux pays développés. On connaît des appareils de contrôle de brûleurs, destinés à former les flux circulaires tourbillonnés ayant une intensité de tourbillonnement, un champ de vitesse et un taux de turbulence imposés Chacun de ces appareils se caractérise par les effets déter- minés sur le flux, la résistance hydraulique, la vitesse irrégulière du champ à la section de sortie et par le caractère de ce champ. A leur tour, ces caractéristiques sont tributaires des dimensions géométriques des éléments de l'appareil de contrôle. Actuellement, les appareils de contrôle sont uti- lisés dans les installations de foyer en tant que moyen d'intensification du processus de combustion. On connaît un appareil de contrôle de brûleur du type tangentiel (voir par exemple le livre de Ivanov Y V "Dispositifs brûleurs", M L "Nedra", 1972) Cet appareil forme un flux, dont l'intensité de tourbillonnement dépend du rapport des dimensions géométriques (largeur et longueur de la tubulure d'amenée, taux de tangence à l'amenée du flux dans la chambre de tourbillonnement, etc). En formant un flux tourbillonnaire conforme aux dimensions indiquéep pour les pertes hydrauliques modérées ( g 3 à 5), on obtient, dans l'appareil de contrôle, une flamme tourbillonnée et, à proximité de l'axe, une-zone de courants inverses stabilisant le processus de combustion. L'inconvénient d'un appareil de contrôle de ce type réside en ce que les caractéristiques du flux dépendent rigoureusement des dimensions géométriques. D'autre part, l'injection unilatérale du flux dans la chambre de tourbillonnement aboutit à d'importantes diminutions de la vitesse du flux s'écoulant près des parois, ce qui a pour résultat une irrégularité considérable du flux tourbillonné à la périphérie et une faible efficacité de tourbillonnement. On connaît aussi un appareil de contrôle du type volute équipé d'un registre à languette servant à régler la largeur de l'entrée et le taux de tangence du flux s'injectant dans la chambre de tourbillonnement (voir par exemple l'ouvrage de Akhmedov D N "Dispositifs brûleurs de gaz à vent", L "Nedra", 1970). Grâce au fait que la tubulure d'entrée est munie d'un registre à languette, il est possible de régler dans de larges limites d'intensité de tourbillonnement le flux circulaire et de modifier les caractéristiques correspondantes de la flamme. L'inconvénient d'un appareil de contrôle du type ci- dessus réside en une grande irrégularité de vitesse provoquée par l'introduction unilatérale du flux dans la chambre de tourbillonnement. En plus, les deux tourbillonneurs des types sus- mentionnés ont un défaut commun qui réside en ce qu'ils ne permettent pas de changer le sens de tourbillonnement. On connaît aussi un appareil de contrôle d'un brûleur permettant de régler l'intensité et le sens de tourbillonnement (voir, par exemple, le certificat d'auteur URSS no 375447). Cet appareil de contrôle d'un brûleur comprend une chambre de tourbillonnement cylindrique présentant des lumières d'admission de gaz isométriques disposées symé- triquement et munies de registres orientables Les axes des registres orientables se trouvent sur les géné- ratrices de la chambre de tourbillonnement et sont paral- lèles à l'axe longitudinal de ladite chambre. Dans ce dispositif, en modifiant la position des re- gistres orientables (le réglage est possible dans une vaste plage), on règle la largeur des fentes d'admission de gaz qui sont formées par les bords des registres et les éléments fixes de l'appareil de contrôle De la sorte, on réussit à régler, dans des limites considé- rables, l'intensité et le sens de tourbillonnement. La plage de régulation des caractéristiques de la flamme des dispositifs brûleurs, dotés de tels appareils de contrôle, est suffisamment étendue, les pertes de la pression étant modérées. Le défaut de cet appareil de contrôle d'un brûleur réside en une irrégularité élevée de la vitesse et en une efficacité de tourbillonnement insuffisante pour des pertes de pression tolérables. Cet inconvénient est dû à l'admission concentrée du flux dans la chambre de tourbillonnement et aux résistances locales aux endroits de conjugaison des registre orientables et de la chambre de tourbillonnement. Le but de la présente invention consiste à élargir la plage de régulation et à élever l'efficacité de tourbillonnement. L'invention a donc pour objet un appareil de contrôle d'un brûleur, dont la construction permettrait d'élever le taux d'utilisation efficace de l'énergie du flux, de former un flux circulaire ayant le sens et l'intensité de tourbillonnement requis, et qui aurait une haute fiabilité et ne nécessiterait que de faibles efforts pour tourner les registres (grâce à l'introduc- tion dispersée du flux dans la chambre de tourbillonnement), ces efforts étant compensés par la pression et les forces gravifiques agissant sur les registres orientables. Selon l'invention, l'appareil de contrôle d'un brûleur comprend un corpls muni d'une tubulure d'entrée et renfermant une chambre de tourbillonnement cylindri- que présentant des lumières d'admission de gaz isométri- ques disposées symétriquement et des registres orientables, dont les axes se trouvent sur les génératrices de la chambre de tourbillonnement, et il est caractérisé en ce que les registres orientables ont un rayon de courbure 1,2 à 1,6 fois plus grand que le rayon de courbure de la chambre de tourbillonnement et que leurs parties médianes sont fixées sur les axes placés aux centres des lumières d'admission de gaz diamétralement opposées. Pour l'augmentation ultérieure de la plage de régulation, il est avantageux de réaliser chaque re- gistre sous forme d'un organe composite de manière que les éléments puissent tourner indépendamment. On a réussi, de la sorte, à réaliser des combi- naisons voulues de canaux à fentes ouvertes pour l'ad- mission du flux dans la chambre de tourbillonnement; le taux de leur ouverture garantit alors la régulation de l'intensité de tourbillonnement dans de larges li- mites, ainsi que du sens de tourbillonnement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description des exemples de la réalisation en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la fig 1 représente une coupe longitudinale de l'appareil de contrôle d'un brûleur conforme à l'in- vention, la fig 2 est une coupe sur-la fig 1 suivant la ligne II-II, les fig 3, 4, 5 représentent les versions de mon- tage des registres orientables,chacun desquels comprenant deux parties montées sur le même axe et tournant in- dépendamment. L'appareil de contrôle d'un brûleur comprend, conformément à l'invention, un corps 1 (fig 1 et 2) réalisé sous forme d'un demicylindre 2 joint à la gaine 3 de section rectangulaire (tubulure d'amenée) ou bien sous forme d'une gaine Commune au groupe de brûleurs (cette dernière version n'est pas représentée sur les dessins) Dans le corps 1, coaxialement au plan de coupe 4 (fig 1) de la section de sortie du brûleur, est montée une chambre de tourbillonnement cylindrique 5 qui abrite, en son intérieur, des canalisations 6 de l'appareil de contrôle du brûleur, par exemple le canal du mélange, le tube destiné à recevoir l'injecteur de mazout, etc La chambre de tourbillonnement cylindrique comprend des segments en arc 7 et 8 dont les bords forment les lumières d'admission de gaz 9 et 10 A la partie médiane des lumières d'admission de gaz 9 et 10 isométriques et diamétralement opposées, sur les géné- ratrices de la chambre de tourbillonnement 5, sont fixés les axes Il et 12 des registres orientables 13 et 14 (fig 2) dont le rayon de courbure est 1,2 à 1,6 fois plus grand que le rayon de courbure des segments fixes 7 et 8 de la chambre 5 de tourbillonnement. Deux variantes de réalisation des registres orien- tables 13 et 14 sont porsibles La fig 2 permet de voir les registres 13 et 14 non coupés raccordés par leurs centres aux axes 11 et 12 respectivement. Pour augmenter complémentairement la plage de régulation de l'aérostructure du flux et élever l'effi- cacité du tourbillonnement, il est avantageux de réaliser les registres orientables, constitués chacun par deux éléments 15, 16 et 17, 18 (fig 3, 4,5), et montés de façon à assurer la rotation indépendante des éléments 15, 16 et 17, 18 autour desdits axes Il et 12. Le fonctionnement de l'appareil de contrôle du brûleur est alors le suivant. Le flux gazeux est amené dans la gaine 3 d'une section rectangulaire du corps 1 (fig 1,2) Ensuite, il se subdivise en deux au bord du registre ouvert 13 (voir les flèches A et-B de la fig 2) Une partie du flux s'écoulant suivant la flèche A pénètre dans la chambre de tourbillonnement cylindrique 5 par le canal à section rectangulaire formé par les bords du registre orientable 13 et du segijent fixe 7 de la chambre de tourbillonnement cylindrique 5, tandis que l'autre partie du flux s'écoulant suivant la flèche B passe d'abord entre les parois de la gaine 3 et la face convexe du re- gistre orientable 13, et ensuite entre la face concave (cylindrique) du corps 1 et du registre orientable 13 et du segment fixe 8, pour déboucher enfin dans la chambre de tourbillonnement cylindrique 5 à travers un canal analogue formé par les bords du registre orientable 14 et du segment 8 (fig 2). Le taux de tangence et la largeur des canaux d'ad- mission des flux (suivant les flèches A et B) dépendent des dispositions (caractéristiques) constructives de l'appareil de contrôle du br leur En tournant le regis- tre 14 (fig 2) autour de l'axe 12 jusqu'à ce qu'il occupe la position II, on réduit l'efficacité du tour- billonnement à la suite de l'apparition du contre-courant (B') flèche dans la chambre de tourbillonnement 5 qui fait diminuer le moment principal des quantités de mouve- ment pour la même valeur des quantités de mouvement En cas d'égalité des flux indiqués par les flèches A et B' le tourbillonnement du moment circulaire tend à zéro. Pour inverser le sens de tourbillonnement, il faut tourner le registre 14 dans le sens horaire jusqu'I ce qu'il occupe la position II et le registre 13 autour de l'axe il jusqu'à ce qu'il prenne la position III qui est symétrique par rapport à la position du registre 14. Lorsque le rayon de courbure des registres 13 et 14 est 1,2 à 1,6 fois plus grand que le rayon de courbure des segments fixes 7 et 8 de la chambre de tourbillonne- ment 5, les flux s'écoulent sans décrochage dans la chambre de tourbillonnement 5 et les résistances locales ne se manifestent pas L'intensité de tourbillonnement du flux annulaire a une valeur importante car l'admission tangentielle dispersée dans la chambre de tourbillonne- ment 5 y assure la valeur élevée de la composante de vitesse tangentielle qui aboutit, en cas d'égalité des quantités de mouvement, à l'augmentation de l'in- tensité de tourbillonnement La disposition symétrique et en opposition des lumières d'admission de gaz 9 et assure pratiquement les mêmes caractéristiques aux flux s'écoulant suivant les flèches A et B, ce qui permet d'obtenir, en cas de tourbillonnements importants, un flux circulaire ayant une faible irrégularité de vitesse. Du fait que les axes des registres orientables 13 et 14 soient disposés au milieu des lumières d'admission de gaz 9 et 10, on réussit à compenser les forces dynamiques et celles de gravité agissant sur les registres orientables 13 et 14 suivant leurs axes. L'augmentation ultérieure de la plage de régulation de l'intensité de tourbillonnement s'obtient grâce à la réalisation de registres orientables composites compre- nant, par exemple, les éléments 15, 16 et 17, 18 (Fig. 3,4,5). Comme on peut le constater en se reportant à la fig 3, la rotation de l'élément 17 du registre permet d'amener dans la chambre de tourbillonnement 5 le troisième flux d'air complémentaire (marqué par la flèche C) s'écoulant entre la surface concave du segment 7 et la surface convexe de l'élément 17 du registre. Un-taux élevé de tangence à l'admission du flux s'écou- lant suivant la flèche C dans la chambre de tourbillonne- ment 5 permet d'augmenter l'intensité de tourbillonnement -30 tout en diminuant la résistance hydraulique grâce au fait que l'admission complémentaire du flux dans la chambre de tourbillonnement 5 réduit l'intensité de dimi- nution de la composante tangentielle de vitesse d'une façon comparativement moins élevée à l'action sur cette grandeur de la diminution de la vitesse d'admission du flux. Grâce au fait que chaque registre est constitué par deux éléments, on assure l'admission du quatrième flux dans la chambre de tourbillonnement 5. Au régime d'écoulement direct (fig 4), le tourbillon- nement efficace est à p 7 u près nul Cela permet d'obte- nir un champ de flux ayant une irrégularité de vitesse plus faible qu'en cas d'utilisation du registre en une seule pièce 13 ou 14 (fig 2) Grâce à l'action dynamique due aux parois intérieures des éléments 15, 16 et 17, 18 des registres, les flux s'écoulant suivant les flèches A, B et les flux s'écoulant suivant les flèches C, D assurent la déviation supplémentaire du flux résultant vers l'entrée (gaine 3). La variante de montage des éléments 15, 16 et 17, 18 des registres se caractérise par l'intensité maximale de tourbillonnement due au taux de tangence élevé des admissions de flux s'écoulant suivant les flèches A, B et C, D, et surtout des flux s'écoulant suivant les flèches B et D En plus, la déviation des flux vers le centre, déviation due aux surfaces concaves des éléments 16 et 17 dés registres, assure la re- distribution des valeurs radiales de la densité du flux tourbillonné dans la chambre 5 de tourbillonnement, ce qui contribue en plus à élever le rendement de la pression devant l'appareil de contrôle du brûleur. Créé pour équiper les brûleurs à amenée indi- viduelle des milieux gazeux et les brûleurs à gaine commune, l'appareil de contrôle selon l'invention permet une large plage de régulation de l'aérodynamique du flux circulaire, pour des rendements élevés de pression; par ailleurs, l'appareil est fiable et ne nécessite que de petits efforts de changement de position de ses registres. REVENDICATIONS 1. Appareil de contrôle d'un brûleur comprenant un corps ( 1) muni d'une tubulure d'amenée et d'une chambre de tourbillonnemrnt cylindrique ( 5) à lumières d'admission de gaz ( 9 et 10) isométriques et symétriques, et des registres orientables ( 13 et 14) dont les axes se trouvent sur les génératrices de la chambre de tour- billonnement, caractérisé en ce que les registres orien- tables ( 13 et 14) ont un rayon de courbure 1,2 à 1,6 fois plus grand que le rayon de courbure de la chambre de tourbillonnement ( 5) et que leurs parties médianes sont raccordées aux axes fixés dans les parties médianes des lumières d'admission de gaz diamétralement opposées. 2. Appareil de contrôle d'un brûleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que chaque re- gistre orientable ( 13 et 14) est réalisé sous forme d'un registre composite de manière que ses éléments puissent tourner indépendamment