Brevet FR2579722A1 — publié le 19861003

La présente invention se rapporte à un canon à évaporation de combustible liquide amélioré utilisable dans un brûleur du type o la vapeur est utilisée comme fluide d'atomisation. Les canons à évaporation de combustible liquide utilisant la vapeur sont bien connus dans la technique anté- rieure et des exemples typiques de ceux-ci peuvent être vus en référence aLcbrevetsUS N 3 829 015 et 4 152 108. Dans cha- cun de ces brevets antérieurs, la vapeur est utilisée comme véhicule propulsif pour assurer l'atomisation du combustible liquide lorsqu'il est pulvérisé à partir de la tête du canon pulvérisateur. L'efficacité d'évaporation du combustible liquide lorsqu'il est pulvérisé à l'intérieur de la chambre de combustion d'un brûleur associé sera, en partie, détermi- née par la quantité d'air de combustion en excès qui peut être fourneau brûleur afin d'assurer la combustion complète du combustible pulvérisé. Plus le rendement ou le degré d'ato- misation obtenu sera élevé plus la quantité d'air en excès qui devra être fournie au brûleur sera basse tout en mainte- nant des formes de flammes acceptables. Donc, si la quantité d'air en excès peut être réduite, le rendement global du brû- leur et four ou autre dispositif de chauffage à flammesasso- ciéssera amélioré. En conséquence, dans le brûlage des combus- tibles liquides, et en particulier des huiles lourdes ou ma- zout en association avec des fours de traitement de raffinage de pétrole, il est grandement souhaitable de pulvériser effica- cement et complètement ces combustibles lourds avec la va- peur injectée. Ainsi donc, toute amélioration de l'atomisa- tion qui peut être obtenue augmentera le rendement thermique global du dispositif de chauffage à flammesassocié, puis- qu'une quantité d'air moindre devra être fournie pour accom- plir la combustion complète du combustible. Conformément à la présente invention un canon à évaporation de combustible liquide amélioré et un procédé est décrit dans lequel l'atomisation efficace optimale est obtenue en introduisant le combustible liquide sous pression dans une première direction en spirale tourbillonnaire dans une cham- bre de mélange. La chambre de mélange comporte aussi des moyens pour introduire la vapeur à travers une pluralité d'orifices inclinés pour introduire la vapeur et projeter le combustible liquide vaporisé dans une direction tourbil- lonnaire à contre-courant. Cette disposition des directions tourbillonnaires opposées du combustible injecté et de la vapeur dans la chambre de mélange à canon produit une turbu- lence maximale entre les deux fluides lorsque chacun d'eux frappe l'autre en des positions relatives très proches de telle sorte que l'énergie cinétique de chaque courant, à la fois du combustible et de la vapeur, est éliminée lorsque les courants opposés se rencontrent, en provoquant la pulvérisa- tion du combustible. L'impact de ces courants opposés de com- bustible liquide et de vapeur produit des nombresde Reynolds plus élevés qui ont pour résultat de produire une turbulence additionnelle pour un mélange amélioré. En conséquence, l'un des objets principal de l'in- vention est de fournir un dispositif et un procédé nouveaux d'atomisation dans lequel l'énergie cinétique du combustible liquide vaporisé et du courant de vapeur injecté sont élimi- nés très près l'un de l'autre dans les vortex tourbillon- naires opposés. Un autre objet de l'invention consiste à fournir un canon à évaporation de combustible liquide amélioré dans lequel une atomisation améliorée se produira dans une cham- bre de mélange du canon avant d'être délivrée de la tête du canon. Un autre objet de l'invention consiste à fournir un canon à évaporation de combustible lourd amélioré utili- sant une vapeur surchauffée de forme simple inégale en cons- truction et ne présentant pas de trouble en cours d'opéra- tion et économique à fabriquer. - Ces objets et avantages de l'invention ainsi que d'autres apparaîtront au cours de la description détaillée qui suit,faite en référence auxdessins annexés dans les- quels: Figure 1 est une vue en élévation latérale montrant le canon à évaporation de l'invention lorsqu'il sera monté dans une partie représentée partiellement d'un brûleur typi- que dans une paroi ou une sole de four. Figure 2 est une vue en coupe d'une tête de canon atomiseur prise suivant la ligne 2-2 de la figure 3; et Figure 3 est une vue en coupe partielle d'une tête de canon prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2. En se reportant aux dessins, un canon à évaporation de combustible, désigné dans son ensemble en 10, est monté et supporté par un tube de guidage 12 dépassant au travers d'une plaque d'extrémité 14 d'un brûleur. On comprendra que le pré- sent canon à évaporation de combustible peut être utilisé en association avec des brûleurs de haute intensité tels que re- présentés dans les brevets US N 3 476 494 ou 3 746 499 cédés au même cessionnaire que la présente demande, et dont les des- criptions individuelles sont incorporées ici à titre de réfé- rence. De façon typique, le brûleur représenté dans les bre- vets ci-dessus mentionnés est monté sur une paroi latérale ou sur la sole d'un fourde traitement du pétrole (non représenté). La surface périphérique extérieure d'un canon à évaporation 10 comprend une pluralité de tampons de centrage et de support 16 qui stabilisent le canon dans le tube de guidage 12. L'en- semble de canon atomiseur 10 comprend une tête ou buse 18 qui pulvérise le combustible atomisé à l'intérieur de la chambre de combustion associéedu brûleur (non représentée) suivant tout angle de pulvérisation de combustible souhaité désigné en 20. Comme on peut le voir d'après la figure 3, qui re- présente une coupe à plus grande échelle d'une tête de canon ato- miseur 18, un tube à combustible 22 comprend une buse de pul- vérisation de combustible 24 vissée à l'intérieur d'un collier de support extérieur 26 convenablement réglé *au diamètre in- térieur du tube à combustible 22. Un tube doncentrique 28 pour la vapeur est disposé autour du tube à combustible 22 pour définir un passage de vapeur annulaire 30 coopérant avec le tube 22. On comprendra que le passage de vapeur, dans un mo- de de réalisation préféré de l'invention est destiné à four- nir la vapeur à environ 9 à 10,35 x105 Paà l'état surchauffé à environ 316 à 399 C à une pluralité d'orifices de vapeur tan- aentiels 32. Ces orifices de vapeur s'étendent à travers la paroi de tube à combustible 22 pour injectErla vapeur suivant un vortex hélicoïdal dans le sens des aiguilles d'une montre dans un prolongement 33 du tube à combustible 22. La buse de vaporisation de combustible 24 comporte aussi une paire d'orifices d'éjection de combustible tangentiels 34 qui sont destinés à décharger le combustible liquide dans la zone dis- posée en aval de la buse 24 suivant un vortex directionnel dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Lorsque ce fluide éjecté par les orifices 34 se répand vers l'extérieur suivant un angle de pulvérisation d'environ 90 il atteint la paroi interne du prolongement 33 du tube au voisinage approximatif de la vapeur surchauffée injectée vers l'intérieur provenant des quatre orifices 32. L'extrémité du tube de vapeur 28 comprend une par- tie filetée venant en prise avec un collier fileté.38 qui,à son tourfixe la tête du canon 40 à l'extrémité du prolonge- ment 33 du tube à combustible. La cavité intérieure de la tête du canon 30 avec le prolongement 33 du tube de combus- tible forment une chambre de mélange de combustible liquide et de vapeur 42 immédiatement en aval de la buse de pulvéri- sation du combustible 24. La buse 24 peut eomporterdes surfa- ces à facettes inclinées 36 à travers lesquelles pénètrent les orifices de combustible 34. La tête de canon 40 comprend deux ou plusieurs orifices de décharge de combustible atomi- sé 44 qui délivrent le mélange vapeur/combustible mélangé et atomisé à l'intérieur d'une chambre de combustion du brQleur à four associé (non représenté). Dans l'ensemble de canon à évaporation, comme cela peut être mieux vu sur la figure 3, on verra que la tête 40 peut être vissée dans le collier 38, - soit avant ou après que le collier 38 ait été fixé au tube de vapeur 28. Dans tous les cas, toutefois, on reconnaîtra que l'interface de recouvrement désigné en 46 entre la tête de canon 40 et la surface extérieure du prolongement 33 du tube sera libre de tourner pour faciliter aisément le démon- tage du mécanisme et le changement et le remplacement de la tête du canon quand cela sera nécessaire. En utilisant le nouveau canon à évaporation de com- bustible de l'invention et lors de la mise en oeuvre du nou- veau procédé à l'aide de ce dispositif, on a trouvé que lorsque le combustible qui peut être de façon typique un combustible lourd (mazout) par exemple à 1 de gravité selon les normes de l'American Petroleum Institute est fourni aux orifices 34 à une pression de combustible de l'ordre d'environ 12 à 17 x 10 Pa et quand la vapeur surchauffée de l'ordre d'environ 316 à 371 C est fournie aux orifices 32 à une pression de l'ordre d'environ 9 à 10,35 x 105pa que l'atomisation supérieure du combustible lourd se produira. Ceci est dû à la disposition très proche entre le dégagement de l'énergie cinétique de la vapeur sur- chauffée qui se répand à travers les orifices 32 et le dégage- ment de l'énergie cinétique du combustible vaporisé à travers les orifices 34. L'atomisation améliorée est obtenue en par- ticulier à cause de la direction de rotation opposée des courants de combustible et de vapeur comme cela a été décrit ci-dessus. De plus le nouveau dispositif de l'invention permet de choisir judicieusement la décharge relative ou les zones de passage d'échappement, comme entre la zone totaledes - orifices de décharge 44 de la tête du canon par rapport à la zone totale des orifices 32 de décharae de la vapeur. On a trouvé qu'il était préférable que la zone de-décharge de l'orifice 40 de la tête du canon soit de l'ordre de 2,5 à 3,5 fois la zone d'orifice de la vapeur. De préférence, le rapport optimal est d'environ 3 fois la zone d'orifice 32 de la va- peur. De cette façon un équilibre est atteint entre les deux étages de chute de pression totale entre les pressions d'ali- mentation du combustible et de la vapeur et la pression de la chambre de combustion à la pression sensiblement atmosphé- rique du côté de la décharge des orifices de la tête 44. Il est souhaitable d'avoir davantage d'énergie cinétique des courants pulvérisés dégagés dans les vortex de vapeur et de combustible liquide tourbillonnaire opposés dans la chambre de mélange.Ceci est réalisé en ayant-des orifices de déchar- ge 44 relativement grands à partir de la tête du canon. En conséquence, la plus grande partie de l'énergie cinéti- que disponible des courants de vapeur de combustible pulvé- risés est dégagée dans la zone de mélange 42 immédiatement en aval de la buse de pulvérisation 34. Bien qu'un mode de réalisation particulier de l'in- vention ait été représenté et décrit en détail pour illustrer l'application des principes de l'invention, on comprendra que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation mais que des modifications peuvent y être apportées sans sortir de. son cadre. REVENDICATIONS l.Un canon à évaporation de combustible liquide (10} amélioré comprenant un tube à combustible liquide (22) ayant une première et une seconde extrémité; un tube pour la vapeur (28) entourant concentriquement ledit tube à com- bustible (22) pour définir qn passage de vapeur annulaire (O)autour dudit tube à combustible (22) et une tête de ca- non creuse (40) ayant des orifices d'éjection du combusti- ble atomisé (44) coopérant avec la première extrémité (33) dudit tube à combustible (22) pour définir une chambre de mélange de combustible et de la vapeur (42) dans la premiè- re extrémité dudit tube à combustible;ledit tube à combus- tible (22) comportant une buse de pulvérisation du combustible (24) ayant au moins un orifice tangentiel (34) pour pulvériser le combustible liquide dans ladite chambre de mélange selon une première direction tourbillonnaire et au moins un orifice de vapeur tangentiel(32) s'étendant à travers ladite première extrémité du tube à combustible (22) pour mettre ledit passage de vapeur annulaire (42) en communication avec ladite chambre de mélange,ledit orifice de vapeur tangentiel (32) étant orienté pour diriger la va- peur à l'intérieur de ladite chambre de mélange (42) sui- vant une direction tourbillonnaire opposée à ladite première direction tourbillonnaire dudit combustible liqui- de, de sorte que l'énergie cinétique des courants de vapeur et de combustible pulvérisés s'écoulant dans le passage de vapeur et le tube à combustible soit préservé jusqu'à ce que l'atomisation se produise dans ladite chambre de mélan- ge lorsque ladite vapeur et ledit fluide combustible se rencontrent dans des directions tourbillonnaires opposées. 2.L'agencement selon la revendication l,dans lequel la buse de pulvérisation de combustible (24) comprend deux orifices tangentiels (34) disposés pour décharger le com- bustible suivant un angle de pulvérisation de 90 à l'intérieur de ladite chambre de mélange (42) et dans la- quelle ladite première extrémité du tube à combustible com- portent quatre orifices de vapeur tangentiels (32) disposés en aval de ladite buse de pulvérisation (24) du combustible approximativement au point oh le combustible pulvérisa vient en contact avec ledit tube de combustible. 3.L'agencement selon la revendication 2,comportant en outre un collier fileté (38)fixant ladite tète du canon (40) à ladite première extrémité dudit tube de vapeur (28). 4.L'agencement selon la revendication 3,dans lequel ledit passage de vapeur injecte la vapeur surchauffée à 10,35 x 105 Pa à une température de l'ordre de 316 à 399'( à travers lesdits orifices de vapeur (32) à l'intérieur dE ladite chambre de mélange (42). 5.Un canon à évaporation de combustible lourd anm- lioré (10) pour un brûleur comprenant un tube à combustible liquide circulaired (22) ayant une première et une secondE extrémités, un tube de vapeur circulaire (28) entourant concentriquement ledit tube à combustible (22) pour défi- nir un passage de vapeur annulaire (30)autour dudit tube 3 combustible (22) et une tête (40)-de canon creuse coopérant avec la première extrémité (33) dudit tube de combustible (22)pour définir avec elle une chambre de mélange de com- bustible et de vapeur (42)dans ladite première extrémit dudit tube à combustible (22);ledit tube à combustible com- portant une buse de pulvérisation de combustible (24) ayant au moins deux orifices tangentiels (34) pour pulvériser 1L combustible liquide à l'intérieur de la chambre de mélangE (42) suivant une première direction tourbillonnaire et ai moins un orifice de vapeur tangentiel (32)s'itendant à tra- vers ladite première extrémité du tube à combustible (33)pour mettre ledit passage de vapeur annulaire (30) el communication avec ladite chambre de mélange (42),ledil orifice de vapeur tangentiel (32) étant orienté pour diri. ger la vapeur à l'intérieur de la chambre de mélange (42 suivant une direction tourbillonnaire opposée à ladite pre mitre direction tourbillonnaire dudit combustible liquide de telle sorte que ladite vapeur et ledit combustible li- quide se rencontrent dans la chambre de mélange suivant deux directions tourbillonnaires opposées. 6.L'agencement selon la revendication 5,dans lequel des orifices tangentiels (34) sont disposes dans ladite buse de pulvérisation de combustible pour décharger le com- bustible suivant un angle de pulvérisation de 90* à l'intérieur de ladite chambre de mélange (42) et dans le- quel ladite première extrémité du tube de combustible com- porte quatre orifices de vapeur tangentiels (32) disposés en aval de ladite buse de pulvérisation de combustible (24)approximativement au point o le jet de combustible frappe la paroi intérieure dudit tube à combustible (22). 7.L'agencement selon la revendication 6,comportant en outre un collier fileté (38)fixant ladite tête du canon (40) à la première extrémité dudit tube de vapeur (28). 8.L'agencement selon la revendication 7,dans lequel ledit passage de vapeur injecte la vapeur surchauffée à en- viron 10 à 10,35 x 105 Pa à une température de l'ordre de 316 à 399'C à travers les orifices de vapeur (34)à l'intérieur de la chambre de mélange (42)dans laquelle la- dite tête (40) du canon comprend un orifice d'éjection du combustible atomisé pour décharger le combustible lourd atomisé dans un brleur associ4 pour une com4ustion 4mélio- rée de celui-ci. 9.Un procédé d'atomisation d'un combustible liquide avec de la vapeur avant l'éjection à partir de la tête (40) d'un canon de combustible (10) comportant un tube interne pour combustible (22) et un tube pour vapeur (28) entourant ledit tube (22) pour définir un passage annulaire pour va- peur autour de ce dernier,comprenant les étapes consistant à vaporiser tangentiellement du combustible liquide à tra- vers un ou plusieurs orifices (32) à l'iptérieur de la chambre de mélange(42) définie par la tète (40) du canon et une extrémité (33) dudit tube à combustible liquide (22) pour établir un tourbillon dudit combustible liquide dans une première direction dans ladite chambre de mélange (42) et à introduire tangentiellement -de la vapeur à partir du- dit passage de vapeur à l'intérieur de ladite chambre de mélange suivant une direction tourbillonnaire opposée à la- dite première direction de telle sorte que ladite vapeur et ledit combustible se rencontrent dans ladite chambre de mé- lange (42) suivant des directions tourbillonnaires opposées. 10.Un procédé selon la revendication 9,consistant à effectuer l'étape ultérieure d'éjection du combustible ato- misé à partir de ladite chambre de mélange (42) à travers des orifices ménagés (44) dans ladite tète (40) du canon de telle sorte que les courants de combustible et de vapeur se rencontrent à une énergie cinétique maximale qui est déga- gée lorsque l'atomisation se produit dans ladite chambre de mélange (42). ll.Un procédé selon la revendication 10, utilisant une vapeur surchauffée de 10,35 x 105Pa à une température de l'ordre de 316 à 399 C et un combustible liquide ayant une gravité d'environ 1 suivant les normes de l'American Petroleum Institute.