Brevet FR2577304A1 — publié le 19860814

Electrobrûleur à gaz à apport d'énergie électrique L'invention concerne les brûleurs à gaz à apport d'énergie électrique, du type comprenant un dispositif d injection de gaz combustible dans 1 axe de moyens annulaires d amenée fournissant un courant d air en rotation et des électrodes reliées à une source principale de courant alternatif ou continu. placées à la sortie d un ouvreau délimitant une chambre de combustion, symétriquement par rapport à l'axe et destinées à créer un arc d'apport d'énergie à travers la flamme du brûleur. En faisant traverser la flamme par une décharge électrique, on augmente l'enthalpie des gaz de combustion, la température de sortie des gaz et 1 énergie thermique qu'ils transportent. Pour que la décharge électrique puisse s'établir, il est nécessaire que la flamme présente une conductivité électrique. On a déjà proposé d'augmenter cette conductivité en ensemençant la flamme par de fines particules conductrices, par exemple de carbone, ou de l'alimenter en additif à bas potentiel d'ionisation. Ces solutions connues ont l'inconvénient d'être polluantes et d'exiger un apport d'éléments chimiques supplémentaires qui, lorsqu'il s'agit d'additifs, sont coûteux et corrosifs. L'invention vise à fournir un brûleur à gaz du type ci-dessus défini dans lequel la conductivité de la flamme est accrue sans adjonction d'additif. Pour cela, l'invention propose de faire comporter au brûleur des électrodes placées sur le dispositif d'injection de gaz combustible et reliées à une source auxiliaire de courant, généralement alternatif, de caractéristiques choisies pour ioniser le gaz. Les électrodes d'ionisation peuvent notamment comporter une électrode placée dans l'axe du dispositif d'injection et au moins une électrode annulaire portée par le boitier de ce dispositif. Le dispositif d injection est avantageusement du type à tuyère, présentant une constitution équivalente à celle dune soufflerie supersonique : le boitier porte successivement, dans le sens d'écoulement du gaz, un injecteur et un collecteur séparés par une chambre de détente. La pression d alimentation en gaz et les sections de passage sont prévues de façon que le gaz sorte de l'injecteur à vitesse supersonique. L'injecteur et le collecteur peuvent alors constituer deux électrodes d'ionisation successives, reliées chacune à l'une des bornes d'un générateur électrique dont l'autre borne est reliée à 1 électrode axiale. On dispose ainsi de deux étages d'ionisation successifs. Les électrodes d'apport d'énergie peuvent prendre des formes tres diverses. Elles seront généralement constituées par un prolongement de I'électrode axiale et par une ou plusieurs contre-électrodes dessinées de façon que les points d'attache de l'arc sur I'électrode et la contre-électrode circulent, par exemple tournent autour de l'axe, afin d'eviter une usure rapide. La partie terminale de l'électrode centrale et/ou la contreélectrode peuvent comporter une pièce d'usure, sur laquelle circule le pied d'arc, et une bobine de champ parcourue par le courant d'apport d'énergie et fournissant un champ magnétique provoquant le déplacement des points d'attache de l'arc ou le favorisant. Cette bobine de champ peut être constituée par une simple spirale parallèle à la pièce d'usure, située à l'opposé de l'arc dans le sens axial. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exe- cution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui 1 accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma simplifié d'un brûleur constituant un premier mode d'exécution de l'invention, en coupe suivant l'axe - les Figures 2 et 3 sont des vues partielles en élévation et en coupe partielle montrant des variantes de réalisation des électrodes d'apport d'energie. Le brûleur montré schématiquement en Figure 1 comporte un dispositif d'injection de gaz 10 placé dans l'axe de moyens annulaires d'amenée d'air de combustion. Ces moyens annulaires comprennent un corps 12 qui porte des buses 14 d'amenée tangentielle d'air de combustion imposant à cet air un mouvement de rotation autour de l'axe du dispositif 10. Le corps 12 se raccorde à l'ou- vreau 16, généralement en matériau refractaire, qui delimite une chambre de combustion où se forme la flamme. Cet ouvreau présente une forme intérieure tronconique, qui canalise les courants gazeux et favorise les mé- langes. Le dispositif 10 d'injection de gaz comporte une enveloppe 18 autour de laquelle est monté, à proximite de son extrémité aval, un disque 20 présentant un diamètre voisin de celui du noyau de recirculation de l'écoulement d'air tourbillonnaire induit par les buses 14. Ce disque a pour fonction d'jarreter les remontées de gaz chaud autour du dispositif d'injection et de stabiliser les courants de gaz à la sortie du dispositif d injection, et donc la flamme. Le dispositif d'injection a une constitution qui, du point de vue aérodynamique, est connue. Il comprend un injecteur-tuyère 22 débouchant dans une chambre de détente 24 suivie d'un collecteur 26. Un conduit 28 débouche dans l'enveloppe 18 en amont de l'injecteur 22. Pour mettre en oeuvre l'invention dans un brûleur comportant un dispositif d'injection de ce type, on dispose une électrode axiale 30 dans l'axe commun de l injecteur 22 et du collecteur 26. Cette électrode est montée dans l'enveloppe par l'intermédiaire d'un support isolant 32 qui, en même temps, obture l'extrémité amont de l'enveloppe. L'injecteur 22 est également isolé de l'enve- loppe 18, par un isolateur annulaire 34. L'électrode axiale et l'injecteur 22 sont reliés aux pôles d'un générateur d'énergie électrique alternative 36 en série avec une inductance 38, fournissant une tension suffisante pour créer un effluve ce qui. pour un brûleur dont les dimensions sont telles qu'il fournit une puissance thermique de quelques centaines de kW et un gaz combustible constitué par du gaz naturel (en particulier lorsque le constituant essentiel est du méthane). conduit à un générateur fournissant une tension de quelques kV. Le collecteur 26 est, de façon similaire, relié à un générateur 40 qui, en général, fournira une tension inférieure à celle du générateur 36 mais dont la puissance sera nettement supérieure. La décharge électrique destinée à fournir l'ap- port d'énergie est établie entre des électrodes prévues de façon à provoquer un mouvement de rotation de l'arc. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1. ces électrodes comprennent une électrode centrale 42 et une contre-électrode 44. La contre-électrode sera générale- ment constituée par un tube métallique, refroidi par circulation de liquide, mis à la masse et constituant une spire ouverte électriquement. une de ses extrémités seulement étant reliée à la masse tandis que l'autre extrémité, 46. reste isolée. L'électrode centrale 42 montrée en Figure 1 constitue un prolongement de l'électrode axiale 30, formée par un tube de métal conducteur (cuivre en général) dans lequel on peut injecter un gaz tel que l argon ou un hydrocarbure. L'électrode centrale comprend un embout 48 en graphite. percé d'un trou borgne dans lequel est vissée I'électrode 30. Le gaz injecté par l'électrode axiale 30 peut s'écouler à travers l'embout de graphite. qui possède toujours une porosité ouverte. A l'arrière de l'embout 44 est fixée, par exemple à l'aide de vis, une plaque métallique 50 de diamètre généralement égal à celui de 1 embout. formant déflecteur de gaz. Dans la variante de réalisation montrée en Figure 2, l'électrode axiale 30 est constituée par deux tubes concentriques permettant de réaliser un circuit de circulation de liquide suivant le trajet indiqué par les flèches f. Les deux tubes concentriques sont reliés par l électrode centrale 42 formée par une spire ou plusieurs spires en forme de spirale plate. Cette spirale est donc parcourue par l'eau amenée par l'un des tubes et repartant par l'autre. L'un des tubes est relié au générateur 52 et il est isolé électriquement de l'autre, de façon à constituer encore l'équivalent électrique d'une boucle ouverte. La conductivité électrique du fluide de refroidissement, généralement de l'eau, est suffisamment faible pour ne pas refermer la boucle. Un disque déflecteur 50 est encore relié électriquement à l'électrode et donc à une des bornes du générateur 52, dont l'autre borne est à la masse. Les générateurs 36, 40 et 52 fournissent des courants électriques à la même fréquence industrielle. Les inductances auxquelles ils sont associés sont choisies telles que le potentiel auquel est porté l'injecteur 22 soit en avance de phase sur celui du collecteur 26, lui-même en avance de phase sur 1 électrode centrale. Les avances de phase seront généralement comprises entre iT/2 et w/3. A titre de simple exemple, on donnera maintenant des indications sur les caractéristiques d un brûleur dans lequel la puissance électrique fournie au gaz est de l'ordre du MW et sensiblement équivalente à la puissance due à la combustion elle-meme. Le gaz est amené au brûleur sous une pression de quelques bars. Il s'écoule à travers l'injecteur 22 de profil convergent-divergent d où il sort à vitesse supersonique. par exemple Mach 4. sous une pression d'une fraction d'atmosphère, à une température inférieure à 120 K. Il traverse ensuite le collecteur 26, dans lequel il redevient brutalement subsonique. Le jet de gaz sort du dispositif d'injection à une vitesse de quelques dizaines de mètres par seconde et s'étale autour du disque déflecteur 50. L'air de combustion est amené sous une surpression de 0,1 bar et s'écoule à travers les buses tangentielles 14 en prenant un mouvement de rotation qui maintient les filets d'air contre la paroi de l'ouvreau 16. Le mélange du gaz combustible et de l'air commence au niveau du disque déflecteur 50 et la flamme prend naissance. Les forces centrifuges font naitre une dépression axiale qui referme la flamme sur elle-meme sous forme de boule. une partie des produits de combustion remonte vers le disque 50 et vers le disque 20 pour se mélanger à nouveau avec les courants de gaz frais. Pour obtenir une puissance thermique de 1 MW. il faut généralement un débit de gaz naturel d'environ 100 m3/h. Lorsque l'électrode centrale est du type montré en Figure 2, l'électrode axiale peut être constituée par un tube de cuivre de 15 mm de diamètre extérieur contenant un tube de 6 mm de diamètre dans lequel de l'eau de refroidissement est envoyée sous une pression de 5 bars. L'électrode 30 est reliée à une borne du générateur de courant alternatif 52, généralement formé par un transformateur, pouvant délivrer un courant de 1000 A sous une tension de 1200 V. Le générateur 36, qui alimente l'injecteur 22, peut alors être prévu pour fournir quelques Watts sous une tension de 7000 V tandis que le générateur 40 est alors prévu pour fournir, sous une tension de 3 kV, une puissance de quelques kW qui donne naissance à une dé- charge électrique homogène. Du fait de l'isolement électrique d'une extrémité des spires constituant électrode centrale 48 et la contre-électrode 44, les courants électriques arrivant ou repartant du point d'attache de la décharge sur chaque spire sont situés d'un seul coté du point d'attache et l'action des forces électromagnétiques sur le courant d'arc provoque une circulation rapide de la décharge et de son point d'attache sur la spire. On évite ainsi un échauffement localisé de la spire et la destruction rapide de cette dernière. Dans la variante de réalisation montrée en Figure 3, les électrodes d'apport d'énergie sont réalisées de façon à mettre en rotation l'arc sans l'aide d'une bobine de champ extérieure au système. Le courant d'entretien de la décharge est utilisé pour créer le champ de mise en rotation. La contre-électrode 44 garde une constitution similaire à celle des dispositions déjà décrites. Par contre, l'électrode centrale 42 comporte. d'une part, une pièce d'usure 54, d'autre part. une bobine de champ 56. Cette bobine, de forme plate. généralement à plusieurs spires concentriques ou simplement coaxiales, est interposée entre l'électrode axiale 30 et la pièce d'usure 54. Le courant électrique qui parcourt la spirale conductrice formant la bobine de champ 56 crée un champ radial à la face avant de la pièce d'usure. Le pied d'arc, qui se comporte comme un conducteur dans lequel circule un coursant, est alors placé dans ce champ magnétique et subit une force d'entrainement en rotation (force de Laplace). Comme les dispositifs précédents, celui de la Figure 3 peut être refroidi par circulation d'un fluide caloporteur. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Par exemple. la contre-électrode 44 peut etre munie d'une bobine de champ, au lieu de l'électrode centrale 42 ou en même temps qu'elle. Au lieu d'être en spirale. la bobine de champ peut etre en hélice et placée à l'intérieur d'une électrode centrale en forme de tambour, portant une pièce d'usure sur laquelle tourne le pied d'arc-. REVENDICATIONS 1. Brûleur à gaz à apport d'énergie électrique, comprenant un dispositif (10) d'injection de gaz combustible dans l'axe de moyens annulaires d'amenée fournissant un courant d'air en rotation, et des électrodes (42, 44) reliées à une source principale de courant (52), placées dans un ouvreau (16) de réception des gaz de combustion, symétriquement par rapport à l'axe et destinées à créer un arc d'apport d'énergie à travers la flamme du brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes (30, 22, 26) reliées à une source (36, 40) auxiliaire de courant et placées sur le dispositif d in- jection de gaz pour ioniser celui-ci. 2. Bruleur selon la revendication 1, caractérnsé en ce que les électrodes d'ionisation comprennent une électrode axiale (30) placée dans l'axe du dispositif d'injection (10) et -au moins une électrode annulaire (22, 26) portée par un boitier du dispositif injecteur. 3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que le dispositif d'injection de gaz comprend successivement, sur le trajet du gaz, un injecteur (22) fonctionnant en régime supersonique, une chambre de détente (24) et un collecteur (26), l'injecteur et le collecteur étant coaxiaux, isolés électriquement l'un de l'autre et reliés chacun à une borne d'un générateur (36, 40) de courant d'ionisation, les autres bornes des générateurs étant reliées à l'électrode axiale. 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les électrodes d'apport d'énergie comprennent une contre-électrode placée à proximité de la sortie de l'ouvreau (16), reliée par la masse à l'une des bornes d'un générateur (52) d' alimen- tation en courant dont l'autre borne est reliée à une électrode centrale par l'intermédiaire de l'électrode axiale d'ionisation. 5. Brûleur selon la revendication 4. caractérisé en ce que la contre-électrode (40) est constituée par au moins une spire dont une extrémité est reliée au générateur (52) et dont l'autre extrémité est isolée. 6. Brûleur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'électrode centrale comporte un embout en graphite fixé à l'extrémité de l'électrode axiale et portant à l'arrière une plaque (50) de déflexion des gaz. 7. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'électrode axiale (30) comporte un circuit d'arrivée de liquide de refroidissement et un circuit de retour de liquide de refroidissement et en ce que l'électrode centrale (42) comporte au moins une spire plate parcourue par le liquide de refroidissement et située dans un plan perpendiculaire à l'électrode axiale. 8. Brûleur selon la revendication 4. caractérisé en ce que l'électrode centrale comporte une pièce d usure (54) perpendiculaire à l'électrode axiale (30) et une bobine de champ plate (56) placée entre l élec- trode axiale et la pièce d'usure et parcourue par le courant d'entretien de l'arc d'apport d'énergie. 9 Brûleur selon la revendication 3 ou l'une quelconque des revendications qui en dépendent, carac terisé en ce que les générateurs sont prévus de façon à fournir des tensions à fréquence industrielle, la tension appliquée à l'injecteur (22) etant en avance de phase sur la tension appliquée au collecteur (26), elle-même en avance sur la tension appliquée aux électrodes d'apport d'énergie.