Brevet FR2594212A1 — publié le 19870814

La présente invention se rapporte à des brûleurs perfectionnés et, en particulier, à des brûleurs à usage industriel. L'utilisation optimale des combustibles par des brûleurs industriels est d'une grande importance économi- que. En outre, les brûleurs qui utilisent le combustible avec un rendement élevé tendent à conserver leurs caracté- ristiques pendant une plus longue durée. Une bonne utili- sation du combustible produit une flamme bleue et, si la combustion est bonne, la dimension de la flamme est rela- tivement petite, ce qui permet la construction de cham- bres de combustion de dimension réduite, pour une produc- tion calorifique donnée. On a souvent essayé dans le passé d'obtenir une bonne utilisation des combustibles fossiles lourds, mais seulement avec un succès très limité. Les brûleurs usuels, actuellement employés dans l'industrie,ne donnent pas de résultats satisfaisants. Même une assez petite améliora- tion de l'utilisation des combustibles, et par suite du rendement global, présente un grand intérêt économique. L'invention a pour objet un nouveau brûleur com- portant des moyens qui procurent un mélange combustible/ air très complet et intime qui subit une combustion pres- que complète dans un espace relativement petit, aboutis- sant à un rendement thermique élevé et à une bonne utilisa- tion du combustible. Le nouveau brûleur est construit de façon à cré- er une rotation rapide du mélange air/combustible, ce qui entraîne une cassure des plus grosses gouttes,un mélange complet de l'air et du combustible et une combustion effi- cace de ce combustible. Le nouveau dispositif comprend une pluralité d' ailettes courbes qui sont agencées de façon inverse à cel- les des dispositifs usuels du type à ailettes et qui sont en outre entourées par un espace annulaire permettant d'in- troduire l'air dans la zone des ailettes, ce qui améliore le mélange combustible/air et a pour résultat une produc- tion calorifique élevée du brûleur. Bien qu'on puisse utiliser un nombre raisonna- ble quelconque d'ailettes courbes, par exemple de 4 à 10 ailettes environ, les meilleurs résultats sont obtenus avec une structure à six ailettes, à laquelle on se ré- fère de façon plus détaillée dans la description ci-après qui illustre, non limitativement, la présente invention. Le dispositif suivant l'invention comprend une structure d'une pluralité d'ailettes courbes qui se re- joignent près du centre de la structure, au voisinage de la buse d'entrée du combustible, cette structure étant fermée par une plaque circulaire comportant une entrée cen- trale d'arrivée de combustible à la buse, la structure étant entourée par un manchon cylindrique qui définit un espace annulaire prédéterminé entre ce manchon et la zone définie par la plaque circulaire qui correspond sensible- ment au plus grand diamètre de ladite structure, cet es- pace annulaire définissant l'entrée pour l'air provenant d'une source appropriée, un compresseur par exemple, l'es- pace annulaire étant fermé à son extrémité inférieure, la flamme étant située à l'extrémité inférieure de la struc- ture. La structure à ailettes est très simple et elle peut être obtenue par découpe d'un cylindre en une plurali- té d'éléments rectangulaires, puis cintrage de ces derniers de manière à les faire converger presque en un point donné. La structure à ailettes comprend une pluralité d'ailettes s'étendant sensiblement longitudinalement et disposées autour de l'axe de la structure, chaque ailette comportant des première et deuxième extrémités reliées par des premier et deuxième bords longitudinaux, les premières extrémités étant placées les unes à la suite des autres le long de la circonférence d'un cercle coaxial à l'axe et les deuxièmes bords définissant une surface conique coaxiale à l'axe, les ailettes étant interconnectées à leurs pre- mières extrémités, la direction dqla structure à ailettes étant telle que les ailettes se rencontrent (et sont sen- siblement fermées) à l'endroit de l'entrée du combustible dans la buse du brûleur et s'ouvrent à l'autre extrémité, un manchon cylindrique annulaire entourant la structure à ailettes à une distance donnée de celle-ci. Le fonctionnement du nouveau brûleur est le suivant: le combustible est introduit sous pression à travers la buse centrale du brûleur, tandis que l'air est introduit sous pression par l'ouverture annulaire entre le manchon et la structure à ailettes, dans la direction du flux axial de combustible, les ailettes communiquant à l'air un mouvement de rotation qui a pour effet de mélan- ger intimement le combustible et l'air, d'homogénéiser ce mélange et d'entraîner un rendement calorifique élevé et une meilleure utilisation globale du combustible par le brûleur.La sortie du mélange combustible/air s'effectue- par l'extrémité ouverte de la structure à ailettes, à 1' opposé de l'entrée de combustible, et la flamme résultan- te est bleue, sans fumée et de longueur relativement pe- tite. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés, dans lesquels: Fig. 1 est une vue en perspective avec coupe par- tielle d'un brûleur conforme à l'invention; Fig. 2 est une coupe axiale à travers le disposi- tif représenté sur la figure 1; Fig. 3 est une vue de dessus du dispositif, du côté de la sortie combustible/air; et Fig. 4 et 5 sont des diagrammes de la températu- re et du rendement, respectivement, en fonction du rapport combustible/air. Comme illustré par la figure 1, le combustible est injecté sous pression dans et à travers une buse 11, par une canalisation non représentée, tandis que l'air provenant d'un compresseur s'écoule à travers une ouver- ture annulaire 12, entre un manchon extérieur 13 et une plaque circulaire 14. Au-delà de la plaque 14 est prévue une structure à six ailettes, comprenant six ailettes 15 à 20, comme représenté sur les figures suivantes. Ces ai- lettes définissent une structure en forme d'entonnoir avec six ouvertures vers l'espace annulaire 12, par les- quelles l'air pénètre dans l'espace central de la struc- ture o il se produit un mélange complet du combustible venant de la buse 11 avec l'air venant du compresseur et entrant par l'espace annulaire 12. Les directions de cir- culation de l'air comprimé sont indiquées par les flèches. Le résultat est un mélange intime du combustible avec 1' air et ce mélange combustible/air sort par une ouverture circulaire 21 définie par un cylindre 22 fermé vers le cy- lindre 13 par une pièce, non représentée sur la figure 1, le mélange combustible/air produisant à cette ouverture une flamme et subissant une combustion. On voit que la structure à six ailettes est ou- verte vers l'espace annulaire défini par sa périphérie ex- térieure et le cylindre 13, l'air comprimé s'écoulant vers le centre de la structure à travers ces six ouvertures, ce qui entraîne un flux de mélange combustible/air vers la sortie, o il subit une combustion. La structure est également illustrée par les fi- gures 2 et 3 qui permettent de mieux comprendre la structu- re à ailettes, les repères désignant les mêmes pièces que sur la figure 1. Pour la fabrication de la structure à ailettes, on peut partir d'un cylindre, effectuer six coupes de ma- nière à obtenir six éléments rectangulaires et cintrer ceux-ci afin qu'ils se rencontrent sensiblement au centre de la structure, comme représenté sur les figures. La buse est prévue au sommet défini par ce point de rencontre et la direction d'écoulement du mélange combustible/air va de ce point vers l'extrémité ouverte de la structure. L'agencement est caractérisé ence que le combus- tible va de l'extrémité "fermée" de la structure à ailet- tes vers l'extrémité "ouverte" et en ce que l'air est in- troduit par l'intermédiaire des ailettes qui sont ouver- tes vers le manchon cylindrique d'enceinte, ce flux d'air comprimé s'écoulant vers le centre de la structure. Il ré- sulte de l'entraînement du brouillard de combustible pulvé- risé, allant de la buse vers l'ouverture à l'autre extrê- mité du dispositif, un mélange intime du combustible et de l'air, ce mélange subissant une combustion presque com- plète à la sortie du mélange combustible/air du dispositif. Divers dispositifs expérimentaux ont été fabri- qués conformément à l'invention et essayés. On obtient un résultat et un rendement de combustion considérablement améliorés par rapport aux brûleurs usuels. Une combustion presque complète est obtenue et cela avec une flamme de dimension très réduite. A titre d'exemple, on essaie un brûleur dans un four de 120 x 60 x 60 cm. Le brûleur utilise 50 kg/h d'hui- le lourde et le combustible est introduit par une buse avec un orifice de 45 , sous une pression de 8 bars. Le dispositif a un diamètre de 170 mm et une longueur de 200 mm, avec un espace annulaire de 3,5 mm de largeur entre le noyau central défini par le diamètre extérieur de la struc- ture à ailettes et le cylindre extérieur. On utilise une structure à six ailettes, les ailettes se rejoignant à 1' endroit de la buse de combustible. L'air est introduit à un débit de 50 kg/h. La flamme résultante est de couleur bleue et le combustible subit une combustion presque complè- te. La longueur de la flamme est seulement de 50% environ de celle d'une flamme obtenue avec la même buse et les mê- mes quantités de combustible et d'air mais sans la struc- 6 2594212 ture à ailettes. Le rendement du dispositif est illustré par les diagrammes des figures 4 et 5, qui représentent 3.a temnérati,,e cmutbear l /ni tonction cru rapport combustible/air et le rendement en fonction du rapport combustible/air. On voit que le dispositif, simple et peu coûteux, conforme à l'invention permet d'obtenir un meilleur résul- tat des brûleurs, une meilleure utilisation du combusti- ble et un meilleur rendement global. En outre, le fonction- nement du brûleur reste constant, à cette valeur élevée de rendement,pendant une plus longue durée. i1l est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Ainsi, le rapport du diamètre du dispositif à la longueur de celui-ci peut être de 1/2 à 1,5/1'; le nombre d'ailettes est compris entre 4 et 10.. - Revendications 1. Brûleur pour l'amélioration de la combustion d'un mélange combustible/air, caractérisé en ce qu'il com- prend une pluralité d'ailettes s'étendant sensiblement longitudinalement et disposées autour d'un axe d'écoule- ment'du mélange air/combustible, chacune des ailettes comportant une première et une deuxième extrémités reliées par des premier et deuxième bords longitudinaux, les pre- mières extrémités étant placées de façon contigUe le long de la circonférence d'un cercle coaxial au dit axe, les premiers bords définissant une surface cylindrique coaxia- le à l'axe principal et les deuxièmes bords définissant une surface conique coaxiale à l'axe, les ailettes étant interconnectées à leurs premières extrémités, la structu- re à ailettes étant enfermée dans une structure cylindri- que qui définit à une extrémité une ouverture annulaire par laquelle l'air comprimé est introduit, une buse de combustible étant prévue au centre de la même extrémité, cette buse étant située à l'extrémité de la structure à ailettes, dans laquelle les ailettes se rencontrent sensi- blement au centre de la structure, l'autre extrêmité du cylindre étant fermée à l'endroit du dit espace annulaire et définissant une ouverture centrale, pour la sortie du mélange combustible/air, o s'effectue la combustion de ce mélange, le mélange intime de l'air et du combustible ré- sultant de la rencontre de l'air et du combustible pulvéri- sé, l'air entrant par les ouvertures de la structure à ai- lettes. 2. Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'ailettes est compris entre 4 et 10. 3. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre d'ailettes est de 6. 4. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport du diamètre du dis- positif à se longueur est de 1/2 à 1,5/1. positif à sa longueur est de 1/2 à 1,5/1. 5. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'espace annulaire, entre la circonférence de la structure à ailettes et la pièce cylin- drique extérieure, a une largeur de l'ordre de 10 à 25% du diamètre de la structure.