Brevet FR2537702A1 — publié le 19840615

La présente invention concerne la pulvérisation du fuel-oil ou sa transforma tion en aérosol en vue de sa combustion par mélange avec l'air; elle s'applique particulièrement aux atomiseurs ou brûleurs ultra-soniques, en vue de résoudre les divers problèmes inhérents à cette technique: démarrage, allumage, stabilité de la flamme, mélange avec l'air, refroidissement du barreau vibrant. Les brûleurs ultra-soniques sont bien connus: un barreau vibrant, généralement réalise sous forme de triplet piézo-électrique, est terminé par une tige mince focalisante dont la face radiante, soumise à des vibrations de forte amplitude, de fréquence de l'ordre de 60 kHz, transforme chaque gouttelette de fuel,étalée sur sa surface et sortant d'une veine d'écoulement, en aérosol. Le fuel, à sa sortie de la veine intérieure d'écoulement, commence par se trépan dre sur la surface de la face radiante, où il forme une goutte liquide. Pour transformer cette goutte liquide en aérosol, il faut, au départ, une énergie vibratoire relativement grande, parce que le barreau vibrant se trouve chargé par un liquide (la goutte) et donc fortement amorti.Par contre, une fois la pulvérisation commencée, le barreau vibrant, travaillant alors sur une charge d'aérosol assimilable à une phase gazeuse, subit un amortissement beaucoup plus faible et ne nécessite plus qu'une faible énergie pour assurer l'entretien de l'aérosol.Les démarrages sont donc souvent difficiles et nécessitent une énergie beaucoup plus forte que pour le régime permanent; et lorsque, en cours de marche, un incident quelconque vient à interrompre la flamme, la goutte liquide se reforme et nécessite un nouveau démarrage et allumage. En plus de ce problème d e la goutte, le mélange intime d'air et d'aérosol de fuel( carburation) ainsi que le dosage de ce mélange présentent aussi des difficultés pratiques.Un autre problème est d'empêcher les retours de flammes vers le corps du barreau, sous forme de flammèches qui, une fois amorcées,restent accro chées au barreau, provoquent son échauffement et obligent à éteindre, puis à rallumer l'appareil. Enfin, un barreau piézo-électrique supporte mal les températures dues à la proximité de la flamme et de l'ailschauffé, et il est nécessaire de lui apporter un refroidissement énergique par ventilation à air forcé.Enfin, en cas d'arrêt de la flamme, un réallumage automatique doit être assuré, par une étincelle électrique provenant d'un éclateur alimenté par un petit générateur de haute-tension lui-même commandé par une cellule photo-électrique observant la flamme en permanence; ce dispositif bien connu et couramment utilisé est supposé adopté ici dans les applications de la présente invention. E n résumé, démarrage, allumage, problème de la goutte, mélange intime airl fuel et dosage du mélange, suppression des flammèches de retour, refroidissement du barreau par air forcé, stabilité, tels sont les problèmes que le procédé nouveau selon l'invention permet de résoudre. Ce procédé consiste essentielleent à utiliser le flux d'air forcé pour engendrer une (ou plusieurs) petites cavités gazeuses à l'intérieur de la goutte de fuel étalée sur la face radiante et à déclencher l'éclatement d'une étincelle électrique dans cette cavité entre la pointe te d'un éclateur et la face radiante du brûleur. Un moyen permettant de réaliser ce principe consiste à injecter simultanément dans le barreau, par deux petites veines parallèles ,le fuel d'un côté, et l'air forcé de l'autre, ces deux fluides sortant ensemble de la face radiante par deux petits orifices voisins, comme représenté sur les figures I et 2. La figure I représente la face radiante R vue de face, avec ses deux petits orifices de sortie. La figure 2 représente un barreau avec ses deux canaux d'injection paralleles d'air et de fuel. La pointe de l'éclateur est disposée en regard et à proximité de l'orifice de sortie de l'air forcé qui, par sa pression, chasse le film liquide sur son passage et crée une ou plusieurs petites cavités gazeuses. La pointe de l'éclateur se trouve ainsi dans une cavité gazeuse où elle déclenche ltétin- celle, alors qu'il faudrait une tension disruptive beaucoup plus forte pour la déclenche7Zdans un liquide.Sur la figure 2, à titre d'exemple non limitatif, on désigne par I le barreau vibrant, par R sa face radiante, par 2 la veine intérieure d'injection de fuel raccordée à la tubulure extérieure 3 reliée au réservoir de fuel; par 4 la veine co-axiale intérieure d'injection de l'air forcé, raccordée à une tubulure 5 captant une partie du flux air émis par une source d'air sous pression tel qu'une petite turbine par exemple; par 6 une membrane de suspension souple et ajourée fixant le barreau sur son plan nodal; par 7 un manchon cylindrique( enceinte) entourant le barreau et relié par une tubul ure 8 à la source d'air forcé; par 9 la tige de l'éclateur ( aiguille, vis platinée) fixée avec fort isolement électrique sur son support I' et reliée à un pôle du générateur haute-tension 12 dont l'autre pôle est relié à la masse métallique du barreau vibrant; par I0, un goulot d'étranglement sur le passage du flux d'air en vue de contribuer à l'expulsion de la goutte située à proximité.Le flux d'air émis par la turbine remplit 4 fonctions: la première est le refroidissement du barreau vibrant et l'expulsion des flammèches par la circulation d'air forcé dans l'en- ceinte du manchon; la seconde est l'injection d'air forcé dans la veine 4, envue de créer la cavité gazeuse; la troisième est l'expulsion de la goutte étalée sur la face radiante R, par le passage du flux d'air à forte pression au niveau du goulot d'étranglement I0, expulsion facilitée par l'aiguille 9 qui recueille par capillarité le liquide mouillant et le fait glisser vers le support II; la quatrième est mélange intime(carburation) du flux d'air et d'aérosol de fuel, à la naissance même de l'aérosol; le dosage de carburation est facile à ajuster à l'aide d'un robinet, vanne ou électro-vanne (non représenté) inséré sur la tubulure d'injection 8. I1 est à noter que l'injection d'air forcé dans la veine 4 peut se faire à volonté: soit par captation d'une partie du flux d'air circulant dans l'en ceinte, par exemple en terminant la tubulure 5 en forme de petit entonnoir, soit par un tuyau flexible sortant de l'enceinte et relié directement à une dérivation prélevée à la sortie de la turbine. L'aiguille ou pointe de l'éclateur 9 est à double fonction: d'abord, assurer l'étincelle d'allumage, ensuite attirer par capillarité la goutte poussée par le flux d'air forcé; de plus, l'étincelle contribue aussi à l'éclatement de la goutte et à son expulsion. Un autre moyen simplifié de réaliser le principe de l'invention consiste à laisser le flux d'air global, circulant dans l'enceinte, assurer à lui seul la fonction de créer la cavité gazeuse entre la pointe 9 et la face radiante k, en supprimant la veine 4 et sa tubulure 5 de la figure 2. La turbulence engendrée par le passage du flux d'air.de circulation à proximité de la goutte au niveau du goulot d'étranglement IO, conjuguée à l'effet de capillarité de l'aiguille 9, engendre des petites cavités gazeuses erratiques de positions variables dont une suffit pour se loger entre la pointe 9 et la face radiante R, permettant l'étin- celle en phase gazeuse. A titre d'application de la présente invention, la figure 3 représente un exemple schématique, non limitatif, de réalisation d'un poêle à fuel, avec la veine 4 d'injectiap.intérieure d'air forcé dans le barreau et sa tubulure 5 terminée en formo év.as.ée de petit entonnoir. Sur cette figure 3, les mêmes chiffres que ceux de a figure 2 désignent les mêmes éléments. La Surface cylindrique du poêle est désignée par 13; la cheminée d'évacuation des gaz par 14; la turbine d'air par 15.Dans cet exemple de poêle à fuel, le brûleur ultra-sonique est dirigé vers le sol, pointe en bas,et la flamme sortant est d'abord dirigée vers le bas, mais se réfléchit sur la surface du support Il de forme conique servant de miroir réflecteur; un miroir à 450 réfléchit à 90 et déviera donc la flamme de la verticale à l'horizontale; la flamme, qui sort de R en forme de fuseau, sera ainsi transformée en une nappe horizontale isotropique venant frapper la paroi interne du poêle sur une très grande surface cylindrique, assurant le meilleur couplage flamme/paroi et une répartition homogène de la chaleur. En choisissant à volonté l'angle au sommet du clone, on peut obtenir tous les angles de réflexion désirés, vers le bas, vers l'horizontale ou vers le haut. L'aiguille de 1' éclateur 9 est fixée sur la partie supérieure tronquée du cône réflec teur par l'intermédiaire d'une rondelle isolante en matière réfractaire (mica par exemple). I6 désigne une cellule photo-électrique dirigée vers la flamme; en présence de flamme, donc de lumière, le courant de cellule, amplifié et mis en forme par circuits électroniques (non représentés ici)-, commande l'inter rupton du générateur haute-tension 12, arrêtant toute étincelle ; en l'absence de flamme, donc de lumière, le même circuit de commande déclenche le générateur I2 engendrant l'étincelle. On a désigné par 17 la liaison d'asservissement générateur/cellule.Cette disposition de brûleur tête en bas avec réflecteur vers l'horizontale est la meilleure pour assurer l'écoulement de la goutte, ajoutant l'action de la pesanteur à l'action du flux d'air et à celle de la capillarité de la pointe. A ce point de vue, une disposition inverse est peu conseillée, avec brûleur tête en haut.. Si l'on désire cependant avoir une flamme verticale de bas en haut, par exemple pour chauffer une chaudière sur son fond, une variante selon l'invention consiste à disposer le brûleur à l'horizontale et à réfléchir la flamme sur un miroir à 450 la renvoyant à la verticale; sur le dessin de la fi- gure 3, il suffit de le faire tourner de 900 et de remplacer le cône réflecteur par un réflecteur plan ou similaire; les mêmes dispositifs d'air forcé et d'étincelage étant conservés. Enfin, une autre variante consiste à disposer le brûleur à l'horizontale et à utiliser la flamme horizontale sans réflecteur. - REVENDICATIONS I. Procédé de pulvérisation du fuel à partir d'un brûleur, plus particulièrement d'un brûleur ultra-sonique, caractérisé en ce qu'un flux d'air sous pression, injecté au voisinage de la face radiante, engendre, au sein de la goutte adhérente à cette face, une ou plusieurs cavités gazeuses entourant la pointe d'un éclateur qui déclenche une étincelle dans la cavité et assure l'allumage de la flamme. 2. Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que le flux d'air des - tiné à créer la cavité gazeuse est conduit à la face radiante par une petite vei ne , intérieure au barreau, parallèle à la veine d'adduction du fuel; cette petite veine d'air étant alimentée à partir du flux d'air circulant dans le manchon autour du brûleur. 3. Dispositif sélon la revendication I, caractérisé en ce que la petite veine d'air intérieure au barreau est alimentée directement à partir de la turbine de ventilation par une dérivation distincte de celle qui assure la circulation d'air dans le manchon entourant le brûleur. 4.Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que le flux d'air forcé circulant dans le manchon entourant le bruleur, est seul utilisé pour créer les cavités gazeuses, par turbulences au niveau d'un goulot d'étranglement; cette variante simplifiée ne comportant pas de veine d'air intérieure au barreau 5. Exemple d'application à la réalisation d'un poêle à fuel caractérisé en ce que le brûleur est placé tête en bas, la flamme sortante dirigée vers le sol, mais réfléchie à l'horizontale par un réflecteur conique à 450 engendrant une nappe de flamme horizontale isotropique dorant une répartition uniforme de la chaleur 6.xemple d'application en vue d'obtehir une flamme dirigée de bas en haut, ca ractérisé en ce que le brûleur est placé à l'horizontale et que la flamme est réfléchie vers le haut par un réflecteur à 450 7. Exemple d'application caractérisé en ce que le brûleur est disposé à l'horizontale, sans réflecteur, la flamme étant utiliséuen jet horizontal.