Brevet FR2580380A1 — publié le 19861017

La présente invention concerne un injecteur pour réacteur de combustion, et notamment pour un générateur de vapeur, dans lequel un combustible et un comburant sont mélangés et réagissent, avec un canal d'alimentation en combustible, un canal d'alimentation en comburant, une chambre de mélange du combustible et du comburant, et un dispositif d'inflammation d'un mélange de combustible et de comburant. Des réacteurs de combustion de ce type sont utilisables pour divers réactants; des hydrocarbures sont par exemple utilisables comme combustible et du gaz oxygène ou d'autres gaz libérant de l'oxygène sont utilisés de préférence comme comburants. Une appli- cation particulière d'un tel réacteur est obtenue en cas d'emploi de gaz hydrogène comme combustible et de gaz oxygène comme comburant, car un tel dispositif se prête à la production de vapeur d'eau à température élevée. La description ci-dessous de l'invention se réfère uniquement à de tels générateurs de vapeur et aux injecteurs correspondants, mais il est explicitement précisé que l'injecteur selon l'invention est également utilisable pour d'autres réactants. Un générateur de vapeur est décrit dans le brevet de la République fédérale d'Allemagne n 29 33 932. Il sert essentiellement à la production de vapeur pour des centrales, c'est-à-dire que le générateur de vapeur connu se prête à l'emploi dans de grandes ins- tallations, o de grandes quantités de vapeur sont nécessaires. A partir de ce réacteur connu, fonctionnant en générateur de vapeur, l'invention a pour objet un injecteur pour l'introduction d'un combustible et d'un comburant dans un réacteur, permettant une inflammation fiable sous un encombrement minimal, ainsi qu'un mélange parfait des réactants. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le canal d'alimentation en combustible débouche dans une chambre d'inflamma- tion à section de passage augmentée; la chambre d'inflammation com- prend un orifice de sortie de section inférieure à celle de la chambre; l'orifice de sortie de la chambre d'inflammation et le canal d'alimentation en comburant débouchent dans la chambre de mélange; un canal d'alimentation en comburant d'inflammation débouche dans la chambre d'inflammation; et le dispositif d'inflammation est disposé dans la chambre d'inflammation, immédiatement en amont de l'orifice de sortie. Dans ce dispositif, un faible pourcentage de comburant d'in- flammation est ainsi mélangé au combustible pour l'inflammation. Ce mélange est enflammé dans une chambre spéciale, immédiatement en amont d'un orifice de sortie, une diminution de section faisant refluer le mélange d'inflammation en amont dudit orifice. Le mélange inflammé pénètre avec l'alimentation principale en comburant dans une chambre de mélange o les réactants sont mélangés intimement, de sorte que le mélange gazeux sortant de la chambre de mélange est intégralement combustible. Après l'inflammation, l'alimentation en comburant d'inflammation de la chambre d'inflammation peut être interrompue; du combustible pur est alors dirigé à travers la cham- bre d'inflammation dans la chambre de mélange. Il est avantageux que l'orifice de sortie de la chambre d'inflammation soit sensiblement coaxial à l'alimentation en combu- rant de la chambre de mélange. On obtient alors dans cette dernière un mélange particulièrement efficace des deux composants gazeux. Dans une forme de réalisation préférentielle, le canal d'ali- mentation en comburant traverse coaxialement la chambre d'inflamma- tion, c'est-à-dire que cette dernière entoure le canal central d'ali- mentation en comburant sous forme d'une chambre annulaire. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le canal d'alimentation en combustible est parallèle à l'axe longi- tudinal de la chambre d'inflammation, au voisinage immédiat des parois de cette dernière et/ou de la paroi extérieure du canal d'alimenta- tion en comburant, s'étend sur toute la longueur des parois et débouche dans la chambre d'inflammation. Le combustible forme alors le long des parois une couche gazeuse s'écoulant à vitesse élevée, qui refroidit efficacement les parois de la chambre d'inflammation et/ou les parois du canal central d'alimentation en comburant. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le canal d'alimentation en comburant d'inflammation est également parallèle à l'axe longitudinal, s'étend entre un premier canal d'alimentation en combustible voisin de la paroi de la chambre d'inflammation et un second canal d'alimentation en combustible voisin de la paroi extérieure du canal d'alimentation en comburant, et débouche dans la chambre d'inflammation. Cette disposition garantit un mélange intime du comburant d'inflammation et du combustible dans la chambre d'inflammation. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre d'inflammation forme, entre les embouchures du canal d'alimenta- tion en combustible et du canal d'alimentation en comburant d'une part et le dispositif d'inflammation d'autre part, une préchambre de mélange de section inférieure à celle de la partie de la chambre d'inflammation située en aval, de sorte que la vitesse d'écoulement dans la préchambre de mélange est supérieure à la vitesse de propa- gation de la flamme. Un retour de la flamme allumée dans la chambre d'inflammation vers les embouchures des canaux d'alimentation en gaz est ainsi interdit. Un mélange particulièrement efficace des composants gazeux est obtenu par un rétrécissement de la chambre de mélange suivant le sens d'écoulement. Dans une première forme de réalisation préférentielle, le dispositif d'inflammation est monté dans une cavité débouchant latéra- lement dans la chambre d'inflammation, de façon que les réactants s'écoulent directement le long du dispositif. Dans une autre forme de réalisation, le dispositif d'inflammation est constitué par un catalyseur logé dans la chambre d'inflammation et traversé par le combustible et le comburant d'inflammation. Dans les deux cas, le montage du dispositif d'inflammation immédiatement en amont de l'ori- fice de sortie assure que dans cette zone à vitesse d'écoulement augmentée des réactants, les produits de combustion, tels que la vapeur d'eau dans le cas d'un générateur de vapeur, sont éloignés du dispositif d'inflammation, interdisant ainsi au voisinage de ces derniers toute accumulation de produits de réaction susceptible de perturber son fonctionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous des formes de réalisation prérérentielles et du dessin annexés sur lequel: la figure 1 est une élévation en coupe longitudinale d'un injecteur; et la figure 2 est une élévation semblable à celle de la figure 1 d'une forme de réalisation modifiée d'un injecteur. L'injecteur représenté à la figure lest décrit en liaison avec un générateur de vapeur et sert donc à l'alimentation en gaz hydrogène et oxygène. Il est logé dans un corps 1, auquel se rac- corde la chambre de combustion 2 d'un générateur de vapeur, simple- ment indiquée sur la figure. Le corps 1 est traversé par un alésage central, qui est relié à une source d'oxygène non représentée et constitue un canal d'alimentation en oxygène 3. Ce dernier débouche dans une chambre de mélange 4, qui se rétrécit en cône suivant le sens d'écoulement, est disposée concentriquement au canal d'alimen- tation en oxygène 3 et présente, du côté embouchure dudit canal 3, une section supérieure à celle du canal d'alimentation en oxygène 3. La chambre de mélange 4 qui se rétrécit en c6ne débouche dans un orifice de sortie 5 ouvert sur la chambre de combustion 2. Le canal central d'alimentation en oxygène est entouré par une chambre d'inflammation annulaire 6, qui se rétrécit en c6ne en amont de la chambre de ramélange, à laquelle elle est reliée par une étroite fente annulaire 7 concentrique au canal d'alimentation en oxygène 3. La chambre d'inflammation 6 est divisée en une préchambre de mélange 8 en amont et une chambre d'inflammation 9, située entre ladite préchambre 8 et la fente annulaire 7, et reliée à une cavité latérale. Cette dernière contient un dispositif d'inflammation, tel qu'une bougie ou une électrode. La cavité 10 peut également être réalisée sous forme d'un tube résonnant H2 connu, qui permet une inflammation. La section de passage de la préchambre de mélange est infé- rieure à celle de la chambre d'inflammation 9; dans l'exemple de réalisation représenté, ce résultat est obtenu comme suit: la paroi 11 du canal d'alimentation en oxygène 3 est plus épaisse au voisi- nage de la préchambre de mélange qu'au voisinage de la chambre d'inflammation. Il est ainsi possible de maintenir au voisinage de la préchambre de mélange 8 une vitesse d'écoulement supérieure à la vitesse de propagation de la flamme, ce qui interdit un retour de la flamme de la chambre d'inflammation dans la préchambre de mélange 8. Deux fentes annulaires 12 et 13 concentriques débouchent dans la préchambre de mélange 8, la fente annulaire intérieure 12 s'appli- quant directement sur la paroi 11 du canal central d'alimentation en oxygène 3, tandis que la fente annulaire extérieure 13 s'applique directement sur la paroi 14 de la préchambre de mélange 8. Les deux fentes annulaires 12 et 13 sont reliées à une chambre de distribu- tion annulaire 15 dans laquelle débouche un canal d'alimentation en hydrogène 16, parallèle au canal d'alimentation en oxygène 3 et relié d'une façon non représentée sur la figure à une source d'hydro- gène. Par suite de la disposition particulière des fentes annulaires 12 et 13 au voisinage des parois 11 ou 14, le gaz hydrogène péné- trant dans la préchambre de mélange s'écoule sous forme d'une mince couche le long de la paroi 11 du canal d'alimentation en oxygène 3 ou de la paroi 14 de la préchambre de mélange 8 et refroidit ainsi ces parois très efficacement. Les fentes annulaires 12, 13 et la chambre de distribution annulaire 15 sont formées par un anneau 17 entourant coaxialement le canal d'alimentation en oxygène 3 et maintenu dans le corps 1 par des ligaments 18. Un canal d'alimentation en oxygène d'inflammation 19, relié d'une façon non représentée à une source d'oxygène, pénètre par un des ligaments 18 dans l'anneau 17 et débouche dans la préchambre de mélange 8, parallèlement à l'axe et entre les deux fentes annulaires 12 et 13, dans la zone qui, vue suivant le sens circonférentiel de la chambre d'inflammation 6, contient la cavité logeant le dispositif d'inflammation. Pour le fonctionnement de l'injecteur décrit, de l'oxygène et de l'hydrogène sont dirigés en proportion stoechiométrique dans les canaux d'alimentation en oxygène 3 et en hydrogène 16. Pour l'inflammation, de l'oxygène est en outre dirigé dans le canal -80380 d'alimentation en oxygène d'inflammation; il peut être dérivé de l'oxygène dirigé dans le canal central d'alimentation en oxygène 3, de sorte qu'une proportion stoechiométrique est maintenue au total, mais il est également possible de diriger du gaz oxygène supplémen- taire dans le canal d'alimentation en oxygène d'inflammation 19. Le gaz oxygène d'inflammation se mélange intimement dans la préchambre de mélange 8 à l'hydrogène s'écoulant par les fentes annulaires 12 et 13; le rétrécissement de la chambre d'inflammation 6 fait refluer ce mélange gazeux au voisinage de la cavité 10 située en amont du dispositif d'inflammation, de sorte que le mélange gazeux inflammable peut être enflammé par le dispositif. Par suite de la vitesse d'écoulement augmentée dans la préchambre de mélange 8, la flamme ne peut pas se propager dans le sens inverse de l'écou- lement, mais est transmise par la fente annulaire 7 dans la pré- chambre de mélange 8, puis dans la chambre de combustion 2. L'ali- mentation en oxygène par le canal d'alimentation en oxygène d'inflammation 19 peut être arrêtée dès qu'une inflammation s'est produite dans cette zone; le dispositif d'inflammation est coupé. L'ensemble de la chambre d'inflammation 6 n'est alors plus parcouru que par du gaz hydrogène, qui rencontre dans la chambre de mélange 4 l'oxygène provenant du canal central d'alimentation en oxygène 3 et avec lequel il se mélange intimement par suite du rétrécissement de la chambre 4. Une combustion totale du mélange gazeux dans la chambre de combustion 2 en aval est ainsi assurée. L'exemple de réalisation d'un injecteur modifié, représenté à la figure 2, ne diffère que légèrement de celui de la figure 1. Les mêmes pièces portent par suite les mêmes références. L'exemple de réalisation selon figure 2 ne comprend pas de cavité 10 logeant le dispositif d'inflammation; elle est remplacée par un corps d'inflammation 20 à action catalytique, logé dans la chambre d'inflammation 9, entre le canal central d'alimentation en oxygène 3 et la paroi 14, et traversé par le gaz circulant dans l'ensemble de la chambre d'inflammation. Un mélange gazeux inflam- mable s'enflamme dans ce dispositif, qui peut être un catalyseur céramique connu. Dans l'exemple de réalisation représenté, le canal d'alimen- tation en oxygène d'inflammation ne débouche pas dans la préchambre de mélange par l'anneau 17, mais par une canalisation d'alimenta- tion 21, qui pénètre latéralement en oblique dans la préchambre de mélange. Dans ce cas, l'étranglement du gaz dans le catalyseur d'inflammation annulaire assure un mélange suffisant des deux com- posants gazeux, même avec cette introduction sensiblement radiale. Le fonctionnement de cet injecteur est par ailleurs identique à celui décrit à l'aide de la figure 1. Dans les deux cas, il est essentiel pour une inflammation par- faite que le mélange gazeux inflammable soit freiné dans la chambre d'inflammation, par sa section plus élevée, et présente ainsi une faible vitesse d'écoulement sur cette partie de son trajet, o une inflammation parfaite peut ainsi se produire sans que la réaction d'inflammation puisse toutefois se propager dans le sens inverse de l'écoulement. Après une vitesse d'écoulement initialement élevée, un ralentissement, puis une nouvelle accélération suivant le sens d'écoulement par un rétrécissement approprié du trajet sont donc prevus. L'injecteur décrit permet la production instantanée de vapeur surchauffée sur ou au-dessus de la courbe d'ébullition, avec un domaine inférieur de puissance de 1 à 500 kW, pour l'alimentation de stérilisateurs par exemple. Un fonctionnement continu ou inter- mittent est possible, l'état de la vapeur et la puissance pouvant au choix être variables ou constants. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Injecteur pour réacteur de combustion, dans lequel un combus- tible et un comburant sont mélangés et réagissent, avec un canal d'alimentation en combustible, un canal d'alimentation en combu- rant, une chambre de mélange du combustible et du comburant, et un dispositif d'inflammation d'un mélange de combustible et de combu- rant, ledit injecteur étant caractérisé en ce que le canal d'alimen- tation en combustible (16) débouche dans une chambre d'inflammation (6) à section de passage augmenté; la chambre d'inflammation (6) comprend un orifice de sortie (fente annulaire 7) de section infé- rieure à celle de la chambre (6); l'orifice de sortie (fente annu- laire 7) de la chambre d'inflammation (6) et le canal d'alimentation en comburant (3) débouchent dans la chambre de mélange (4); un canal d'alimentation en comburant d'inflammation (19; 21) débouche dans la chambre d'inflammation (6); et le dispositif d'inflammation (ca- vité 10, ctalyseur 20) est disposé dans la chambre d'inflammation (6), immédiatement en amont de l'orifice de sortie (fente annulaire 7). 2. Injecteur selon revendication 1, caractérisé en ce que l'ori- fice de sortie (fente annulaire 7) de la chambre d'inflammation (6) entoure à peu près coaxialement le canal d'alimentation en combu- rant (3) dans la chambre de mélange (4). 3. Injecteur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le canal d'alimentation en comburant (3) traverse coaxialement la chambre d'inflammation (6). 4. Injecteur selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le canal d'alimentation en combustible (16) est parallèle au grand axe de la chambre d'inflammation (6), s'étend à proximité immédiate des parois (14) de la chambre d'inflammation (6) et/ou de la paroi extérieure (11) du canal d'alimentation en comburant (3) , sur toute la longueur desdites parois (11, 14), et débouche dans la chambre d'inflammation (6). 5. Injecteur selon revendication 4, caractérisé en ce que le canal d'alimentation en comburant d'inflammation (19) est également parallèle au grand axe, s'étend entre un premier canal d'alimentation en combustible (fente annulaire 13) voisin de la paroi (14) de la chambre d'inflammation (6) et un second canal d'alimentation en combustible (fente annulaire (12) voisin de la paroi extérieure (11) du canal d'alimentation en comburant (3), et débouche dans la chambre d'inflammation (6). 6. Injecteur selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre d'inflammation (6) forme, entre les embouchures du canal d'alimentation en combustible (16) et du canal d'alimentation en comburant d'inflammation (19) d'une part et le dispositif d'inflammation (cavité 10, catalyseur 20) d'autre part, une préchambre de mélange (8) de section inférieure à celle de la partie (chambre 9) de la chambre d'inflammation (6) située en aval de la préchambre de mélange (8). de sorte que la vitesse d'écoulement dans la préchambre de mélange (8) est supérieure à vitesse de propagation de la flamme. 7. Injecteur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par un rétrécissement de la chambre de mélange (4) sui- vant le sens d'écoulement. 8. Injecteur selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'inflammation est monté dans une cavité débouchant latéralement dans la chambre d'inflammation (6), de façon (10) que les réactants s'écoulent directement le long dudit dispositif. 9. Injecteur selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'inflammation est un catalyseur (20) logé dans la chambre d'inflammation (6) et traversé par le combustible et le comburant.