Brevet FR2583995A1 — publié le 19870102

S 2995 L'invention concerne un générateur destiné à produire des aérosols à partir de liquide du genre comportant-un pul- verisateur qui est disposé dans un récipient pourvu d'une sortie d'aérosol. Le domaine d'utilisation des générateurs d'aérosols ou de particules est très vaste. Les générateurs de parti- cules sont par exemple utilisés pour l'humidification de l'air, la préparation des poudres, la dessiccation sous vide et les traitements médicaux par inhalation, ainsi qu'en aéro- dynamique expérimentale lorsque, dans le domaine de l'anémo- métrie à laser, on doit ajouter dans un tunnel aérodynamique des particules traceuses ou dispersives. Comme principe de production de particules de liquide on dispose de la pulvérisation par ultrasons, de la méthode de condensation ou de la pulvérisation pneumatique. Les para- mètres de service les plus importants d'un générateur de par- ticules sont le taux de production et le spectre des gran- deurs de particules avec le diamètre moyen des particules. La possibilité d'utiliser un principe de production pour l'une des possibilités d'utilisation énumérées plus haut dépend de la grandeur de particule nécessaire et du taux d'ad- dition. Si on prend comme exemple les inhalations médicales, on a besoin de gouttelettes ayant un diamètre d'environ 2 gm avec un taux d'addition d'environ 106s-1, deux conditions fa- cilement remplies par la pulvérisation par ultrasons. Dans l'anémométrie à laser, la grandeur du diamètre des particules nécessaire dépend du pouvoir de séquence des particules dans l'écoulement à mesurer. Pour des gradients très élevés du vecteur d'écoulement, par exemple pour les ondes de choc de compression, il est nécessaire d'avoir un diamètre descendant jusqu'à environ 0,2 gm. S'il s'agit d'un écoulement relative- ment régulier, le diamètre des particules peut atteindre une grandeur d'environ 2 Nm. Lorsqu'il s'agit de vitesses d'écou- lement élevées, il est nécessaire, en raison du court temps de séjour des particules dans le rayon laser, que les particules aient un grand diamètre afin d'augmenter le nombre de photons de la lumière dispersée. Si, en raison d'une trop grande di- minution de la capacité de séquence, il n'est pas possible d'augmenter encore la grandeur des particules, il faut aug- 2 2583995 menter la puissance du faisceau laser. La grandeur des parti- cules influe par l'intermédiaire de l'effet de coagulation sur le mécanisme de perte dans le générateur de particules dont il est ici question. Lorsqu'il s'agit de petits tunnels aérodynamiques, le taux d'addition de particules n'est pas une source de dif- ficultés mais, pour les grandes installations, il peut soule- ver des problèmes. Des taux de production très élevés avec des particules très petites d'environ 1 gm et moins encore, comme cela est désirable par exemple pour la préparation du combustible par pulvérisation, ne peuvent être obtenus avec les générateurs connus. L'invention a pour but de perfectionner un générateur de genre considéré de façon à pouvoir obtenir des taux d'ad- dition très élevés des aérosols produits dans le générateur tout en réduisant l'effet de coagulation et les pertes sur paroi. Ce résultat est obtenu par l'invention grâce au fait qu'un éjecteur fonctionnant avec un fluide de propulsion ga- zeux est monté en aval de la sortie du récipient. Les caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 montre schématiquement en coupe longitu- dinale un générateur d'aérosols connu; - la figure 2 montre un générateur d'aérosols avec éjecteur monté à la suite; - la figure 3 est un diagramme montrant la variation du taux de production nG en fonction de la vitesse de trans- port WT, avec le volume global d'aérosol VK-comme paramètre; - la figure 4 est le diagramme de variation du taux de production de particules nG en fonction de la vitesse de transport WT avec la constante de coagulation K comme para- mètre; - la figure 5 est le diagramme de variation du taux de production nG en fonction de la vitesse de transport WT avec la section transversale de transport F comme paramètre; - la figure 6 montre le taux de production nG comme fonction de WT avec le paramètre ne. 3 2583995 - la figure 7 montre un dispositif de préparation de carburant dans une installation de turbine à gaz; - la figure 8 montre une préparation de carburantpour producteur de chaleur industriel; - la figure 9 montre en coupe un générateur d'aéro- sols pour grands débits; - la figure 10 montre un détail du pulvérisateur re- présenté à la figure 9; - la figure 11 montre un secteur partiel d'une coupe effectuée suivant la ligne XI-XI de la figure 10. Pour commencer, on étudiera le mécanisme de pertes en prenant comme exemple un générateur de particules connu comme celui que représente la figure 1. Ce générateur destiné à produire des aérosols à partir de liquides est constitué par un récipient collecteur d'aérosols 2 cylindrique-au cen- tre duquel est monté un émetteur de particules primaire 4 qui, fonctionnant suivant un principe pneumatique, est formé par un certain nombre de buses de pulvérisation. L'évacuation des aérosols s'effectue par un tuyau 6 raccordé à la partie supé- rieure du récipient collecteur dont la section transversale a une surface F. Le liquide qui doit être pulvérisé dans le générateur est introduit par une conduite de remplissage 3 dans une chambre de liquide 5 et est porté à un niveau de rem- plissage représenté en traits mixtes. La chambre de liquide 5 est pourvue de plus d'une tubulure d'évacuation 7. Le pulvé- risateur reçoit de l'air comprimé par une conduite d'air com- primé 8. Le pulvérisateur peut être doté d'un chauffage 9. Pour la détermination qui va suivre du taux de produc- tion on admettra,comme mécanisme de perte l'adhérence d'une partie des particules arrivant sur la paroi intérieure du ré- cipient collecteur et la coagulation. 1. Détermination du taux de production 1.1 Etude analytique Pour quantifier le mécanisme de production dans le générateur il faut commencer par dresser un bilan concernant les particules produites dans le générateur et qui ont dispa- ru par évacuation ou par perte. Le nombre total nG (t) des particules qui se trouvent à l'instant t dans le récipient collecteur est donné par la relation (1) ci-dessous dans laquelle n représente un taux d'écoulement d'évacuation, nB un taux de perte, n A la coagulation et ne le taux de produc- tion primaire. (1) n =G - net - f/nw(t) dt - fnA (t) dt - JAB.(t) dt. Le taux d'écoulement d'évacuation par la section trans- versale tubulaire F, à la vitesse WT et pour une densité de nombre de particules n' dans le générateur est donné par le formule O Les pertes sur paroi nB résultent de la grandeur de la surface d'impact des particules FB dans le récipient col- lecteur d'aérosols, de la vitesse WB des particules dans la direction de la paroi et du facteur d'adhérence suivant la relation (2a) nB = wB FBY n' (t!. Le taux de perte nA d à la coagulation peut être dé- terminé par différenciation de l'équation de coagulation (3) avec la constante de coagulation K et la densité de nombre de particules n'0 dans le générateur à l'instant t= 0 (3) n' 1+n' _ft et, en tenant compte de la densité du nombre de particules n' (4) n' n/K dans le volume VK il est de dn A A (t) dt VK 2 = V dni' K n'*(t) En combinant les équations (1) à (5) et en multipliant par le facteur i/VK on obtient la densité de particules (6) nG ne ' WTF '' ' WBFB fn'( n' - =K t - Kfn'(t) dt - jf/n'(t)2 dt - j =K K K K et, par différenciation de l'équation (6) par rapport au temps, on obtient l'équation différentielle de la densité du nombre de particules, (5) ne wT F = K VK n'(t) - K n'(t)2 VK n'(t) 2 _ V -K nt ou, en simplifiant, K A WTF + WBFB Y VK e r i e.-. E K = B on obtient l'équation différentielle sous la forme très sim- ple: dn' 2 i9- CIF E - Bn' - An'2 On obtient comme solution de cette équation dn' An'2 + Bn' - E (11) t = -_ 1 ln 2 l.(B/2)2 +. AE + C1 = -t An' + B/2 - (B/2) + AE + C An' + B/2 + kB/2)2 + AE et, en posant pour simplifier (12) w = IfB/2)2 + AE on obtient, après résolution de l'équation (11) selon n', la forme -2wt W1 +C -2wt n',(t) = C2 1 - C2 e2w B 2A Avec la condition initiale t = 0, n' = n' on peut déterminer la constante C2 déterminer la constante C2 An' + B/2 - W An'o + B/2 + W An' + B/2 + W o (7) dnt dt (8a) (8b) (8c) (10) (13) (14) Les équations (13) et (14) donnent le déroulement dans le temps de l'établissement de l'équilibre pour la den- sité du nombre de particules, n' (t) = const = n'G L'état d'équilibre est atteint, pour t-> (i5) G n'(t) W B G t= = W - L' En tenant compte des équations (8a, 8b, 8c et 12), la densité du nombre de particules est égale à WTF + wB FB'y 2K VK fi (16) n T BB 2KVK ne G KVK- (wTF + 'WBFBT)2 et le taux de production à l'état d'équilibre est égal à (17) nG n'o F wT, FwT (WTF + wBF. Y) 2 VK Kne (18) nG =T + WBFB7 +l 2V2 K- 1' KVK (WTF + wBFB) La constante de coagulation K contenue dans l'équa- tion (18) est connue numériquement lorsque le mouvement brow- nien est à la base comme mécanisme de choc. Les grandeurs de particules dans le générateur se répartissent sur un spectre en forme de courbe de Gauss. Pour simplifier le calcul on fait appel à un modèle à deux classes de grandeurs de particules. Dans le récipient collecteur d'aérosols VK, la turbulence de l'écoulement est considérable et il faut en tenir compte pour le mécanisme de choc aboutissant à la coagulation. Dans le cas de superposition au mouvement brownien d'effets de turbu- lence dans l'écoulement par des tuyaux lisses, on dispose de valeurs empiriques. Les conditions d'écoulement et de turbu- lence dans le récipient collecteur d'aérosols VK sont prati- quement impossibles à quantifier par le calcul. Dans ce cas, il est très difficile de donner un renseignement sur la va- leur des constantes de coagulation. On peut tout de même dire qu'à la turbulence est liée une augmentation excessive du nom- bre de chocs de particules et par conséquent aussi de la coa- gulation. Commé point de départ de la compréhension analytique de ce phénomène, la constante de coagulation K a été multi- pliée par le facteur ST: (19) K = K ST. o Au moyen de la relation (19) et des simplifications F. )= - wB, C21) Z F' ) o = voST (22) Z = Z0 (wT + M)2 on obtient l'expression plus simple et plus claire: :23) n ( le générateur d'aérosols 12 est représenté sous une forme sim- plifiée. Au fond du récipient 14 est disposé le pulvérisateur 16 auquel le gaz de pulvérisation est amené d'en bas par une conduite de gaz comprimé 18 sous une pression PN' Le pulvéri- sateur 16 est placé dans le liquide pour aérosol 17. Dans la chambre de pulvérisation 20 se trouvent les particules d'aéro- sol avec le taux de production de particules primaire ne et la densité de nombre de particules n' comme il est indiqué par les flèches blanches. La tubulure de sortie 22 du récipient 14 est raccordée à une conduite tubulaire 24 qui est elle-même raccordée à la tubulure d'aspiration 26 d'un éjecteur 28. La buse d'éjecteur est alimentée par l'intermédiaire d'une conduite de raccor- dement 32 avec un fluide de chasse gazeux 34 sous une pression de chasse PL' On obtient ainsi un taux de production nG avec une vitesse de transport d'aérosol WT et une vitesse de sor- tie d'aérosol WA à la sortie d'éjecteur 36. Pour augmenter le taux de production, il faut adapter la pression PN de façon optimale et augmenter la pression PL En réglant la pression PL on peut d'autre part fixer la vitesse de sortie des parti- cules hors de l'éjecteur. De cette façon, il est par exemple possible d'obtenir une addition de particules isocinétique à un fluide gazeux en écoulement et par conséquent de dimi- nuer le glissement. Les différents paramètres de fonctionnement sont re- présentés avec leurs rapports réciproques dans les figures 3 à 6 qu'il est inutile d'expliquer. Il en ressort que l'on peut faire varier le taux de production dans des limites re- lativement larges. Les dispositifs tels qu'ils sont représentés à la fi- gure 2 et décrits dans ce qui précède pourront être utilisés pour produire des aérosols très fins avec un taux de produc- tion élevé, de sorte que, par exemple, se trouvent remplies dans une large mesure les exigences en matière de débit d'aé- rosols que présentent les tunnels aérodynamiques mentionnés plus haut. Ces appareils peuvent également être utilisés dans le domaine médical demandant des aérosols très fins. Mais les dispositifs de ce genre peuvent également être utilisés pour la préparation de carburants. De telles possibilités d'utili- sation sont représentées aux figures 7 et 8. A la figure 7 est représentée schématiquement une tur- bine à gaz avec la turbine 42, le compresseur 44 et la cham- bre de combustion 46. Le combustible est préparé ici au moyen d'un générateur d'aérosols 48 dont le principe est le même que celui du générateur représenté à la figure 2 et décrit plus haut. On utilise comme propulseur pour le pulvérisateur et l'éjecteur 52 de l'air comprimé dérivé de la sortie du compresseur 45 qui est amené au pulvérisateur sous la pres- sion PN et à l'éjecteur 52 sous la pression PL' Il est ici prévu en plus dans la conduite de jonction 54 un papillon d'étranglement 56. Dans le producteur de chaleur industrielle selon la figure 8, le générateur d'aérosols 60 se présente sous la mê- me forme que dans le mode de réalisation selon la figure 7. Dans ce dispositif, le pulvérisateur 64 et l'éjecteur 66 sont alimentés avec le même gaz comprimé qui, de même que pour le dispositif selon la figure 7, est l'air de combustion. Dans le cas présent, la totalité de l'air d'appoint est amené com- me air de propulsion de l'éjecteur. Si cela était nécessaire, 9 2583995 on pourrait prévoir dans la chambre de combustion 62 avec l'échangeur de chaleur 68 des moyens d'amenée d'air secondaire pour assurer une combustion totale du carburant. Pour la production de chaleur industrielle et pour le fonctionnement d'une turbine à gaz, il faut des débits élevés pour le générateur d'aérosols, c'est-à-dire qu'il est néces- saire d'avoir un taux de production de particules très élevé. Un tel taux élevé de production de particules peut être obte- nu avec un générateur d'aérosols tel que celui qui est repré- senté aux figures 9 à 11. Le générateur d'aérosols 70 comporte un corps 72 avec un fond 74 et un couvercle 76. A une certaine distance au-dessus du fond 74 repose sur une paroi portante annulaire 78 une plaque-support 80 pour le pulvérisateur 82. Dans une plaque de base 84 centrale amovible est fixée une conduite de remplissage 86 pour le liquide à pulvériser. Le sens de circulation du liquide est représenté par une flèche à pointe noire. La conduite 86 débouche dans l'espace 88 en- touré par la paroi portante 78. Cet espace est en liaison par des trous 90 avec l'espace annulaire 92 extérieur. Les espaces 88 et 92 forment l'espace à liquide. Le liquide est amené en quantité permettant de maintenir pour l'essentiel un niveau de liquide 94 représenté par une ligne en traits mixtes. Il est prévu de plus une conduite de gaz comprimé 96 qui passe de façon étanche à travers le fond 84, l'espace à liquide 88 intérieur et la plaque-support 80 et débouche au- dessus de la plaque-support 80. Par la conduite 96, le gaz comprimé, de préférence l'air comprimé, arrive dans l'espace intérieur 98 du pulvérisateur. Le courant de gaz est repré- senté par des flèches à pointe blanche. Le pulvérisateur 82 présente des buses de pulvérisa- tion en forme de fentes. Comme on peut le voir en particulier aux figures 10 et 11, il est composé d'anneaux intérieurs-100 et d'anneaux extérieurs 102 qui, au moyen d'écarteurs 104, 106 sont maintenus les uns par rapport aux autres à une dis- tance axiale telle que des fentes de sortie 108 d'air comprimé sont formées entre les anneaux intérieurs 100 et des fentes de sortie 110 pour les particules pulvérisées sont formées entre les anneaux extérieurs 102, les particules pulvérisées ou aérosols étant représentés par des flèches dont les pointes sont garnies intérieurement d'un pointillé. Au centre de la plaque-support 80 est disposé un tuy- au de refoulement 112 pour le liquide à pulvériser. Comme le montrent en particulier les figures 10 et 11, ce tuyau 112 est pourvu d'un alésage axial 114 et d'alésages radiaux 116. Les alésages radiaux 116 qui sont en liaison avec l'alésage 114 sont disposés à des distances axiales qui correspondent à l'épaisseur des anneaux intérieurs 100 augmentée de l'épais- seur des plaques d'écartement 104. Dans l'exemple de réalisa- tion, il est prévu trois alésages radiaux répartis sur la cir- conférence comme le montre la figure 11. A ces alésages ra- diaux sont raccordés par des éléments de raccordement 118 des tuyaux 120 qui, à leur autre extrémité, sont raccordés de façon étanche par des éléments de raccordement122 aux alé- sages radiaux 124 dans les anneaux intérieurs 100. Avant la sortie de ces alésages radiaux 124, il est prévu sur la péri- phérie intérieure de l'anneau extérieur 102 intéressé un ca- nal annulaire 126 qui se poursuit dans le sens axial par une fente annulaire 128 qui débouche en avant de la fente de sor- tie d'air 108 formée entre les anneaux intérieurs. La pile d'anneaux 100, 102 est montée par l'intermé- diaire d'anneaux compensateurs 130, 132 extérieurs sur la pla- que support 80 (voir figure 9), tandis que l'espace 98 entouré par les anneaux est fermé en haut par un couvercle 134 qui repose de son côté de façon étanche par l'intermédiaire d'an- neaux compensateurs intérieurs et extérieurs 136, 138 sur la pile d'anneaux. A leurs extrémités tournées l'une vers l'autre, les anneaux compensateurs 130, 132 et 136, 138 sont conformés de façon correspondant aux anneaux intérieurs 100 et 102 con- tigus, de sorte qu'ils forment avec les anneaux contigus des fentes de sortie, respectivement 108, 110, l'anneau compensa- teur extérieur du bas 132 présentant également le canal annu- laire 126 et la fente annulaire axiale 128 et l'anneau com- pensateur intérieur 130 étant muni du raccordement pour les tuyaux 120 et des alésages 124. La pile d'anneaux est fixée en place et maintenue ser- rée par des vis qui peuvent être introduites dans des trous 144 percés dans les écarteurs. Les fentes de sortie 108 forment avec les fentes de 11 2583995 sortie 110 un éjecteur. Sous l'action du jet d'air sortant, du liquide est aspiré hors de la réserve de liquide attei- gnant le niveau 94, et très finement pulvérisé, en passant par l'alésage 114, les fentes 128 et les lumières 120. La ca- pacité de pulvérisation est donnée par le rayon RD sur lequel le liquide est aspiré dans les éjecteurs, ainsi que par le nombre des anneaux superposés en pile. Il est donc facile, le rayon RD étant donné, de fixer le débit souhaité en aug- mentant le nombre des anneaux superposés en pile. Les particules très fines, c'est-à-dire l'aérosol for- mé, sortant sur la périphérie du pulvérisateur 82 sont aspi- rées au moyen d'un éjecteur 142 hors du corps 72 par une ou- verture 140 et dirigées sur le dispositif utilisateur, dans le cas présent le producteur de chaleur industrielle ou la turbine à gaz, ainsi qu'il est indiqué par la flèche à pointe garnie d'un pointillé. L'éjecteur 142 est ici disposé sur le couvercle 76. L'éjecteur 142 est, comme l'éjecteur du mode de réa- lisation représenté à la figure 2, dimensionné pour un débit correspondant au taux de production du pulvérisateur. REVENDICATIONS 1.- Générateur pour la production d'aérosols à partir de liquides, comportant un pulvérisateur qui est disposé dans un récipient pourvu d'une sortie d'aérosol, caractérisé en ce qu'en aval de la sortie (22; 40) du récipient (14;72), est monté un éjecteur (20; 140) fonctionnant au moyen d'un fluide de propulsion gazeux. 2.- Générateur pour la production d'aérosols à partir de liquides selon la revendication 1, caractérisé par son uti- lisation pour la préparation de combustibles de générateurs de chaleur industrielle et de turbines à gaz. 3.- Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pulvérisateur (98) est formé par une multiplicité d'anneaux intérieurs et extérieurs (100, 102) empilés les uns sur les autres qui entourent un espace intérieur (132) lequel est pourvu d'un raccordement pour air comprimé (96), des fen- tes de passage (108) pour l'air comprimé étant disposées en- tre les anneaux intérieurs (100), que les anneaux intérieurs (100) sont pourvus d'alésages radiaux qui sont en liaison par des conduites tubulaires (120) avec une réserve de liquide prévue en dessous du pulvérisateur (98) dans le corps (72) entourant le pulvérisateur, qu'il est formé entre les anneaux intérieurs et extérieurs qui se correspondent (100, 102) un canal annulaire (126) dans lequel débouchent les conduites tubulaires (120) et qu'il est prévu entre les canaux inté- rieurs et extérieurs une fente annulaire (128) qui s'étend du canal annulaire au côté supérieur de l'anneau extérieur. 4.- Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un tuyau d'aspiration de liquide (112) central qui est pourvu d'un alésage d'aspiration (114) cen- tral et d'alésages radiaux (116) disposés l'un au-dessus de l'autre à une certaine distance axiale, qui, par des lumières de jonction (120), sont reliés de façon étanche aux trous de passage de liquide (124) radiaux dans les anneaux intérieurs (100).