Brevet FR2617268A1 — publié le 19881230

2-617268 L'invention concerne un dispositif de combustion, pour faire brûler un carburant ou combustible gazeux avec de l'air afin d'engendrer de l'énergie thermique fournie, par échange de chaleur, à un gaz chaud de travail d'un moteur à gaz chaud. Le dispositif de combustion comporte un préchauffeur pour préchauffer l'air combufant,grâce à de l'énergie thermique extraite des produits de la com- bustion du combustible gazeux et de l'air par ce disposi- tif de combustion. Un organe, du type soufflante ou com- presseur pour comprimer l'air alimentant le préchauffeur, afin de créer et entretenir un écoulement,emprunte le trajet d'entrée dans ce préchauffeur, le passage dans des zones de mélangeage et de combustion du dispositif de combustion puis un trajet de sortie des gaz empruntant le préchauffeur. Le dispositif de combustion selon l'inven- tion comporte un moyen pour fournir automatiquement du gaz à un débit massique correspondant à un débit massique d'air régi et régulé en fonction de la demande de chaleur. Le gaz est fourni à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique à un éjecteur, en utilisant de l'air primaire, préchauffé dans les préchauffeurs, comme milieu porteur ou d'entraînement. Le dispositif de combustion comprend une chambre de mélangeage, par brassage par tourbillonnage de l'air préchauffé, cepen- dant que des premier et second dispositifs de création de tourbillons guident l'air formant l'air primaire et l'air secondaire pour la combustion. L'éjecteur est monté dans un trajet d'écoulement comportant en série la souf- flante ou compresseur, le préchauffeur de récupération et l'ensemble du dispositif de création de tourbillon, puis cet éjecteur, qui est suivi d'un ensemble de tubes de chauffage ou de réchauffage du milieu de travail pour le moteur (ou éventuellement à un autre usage), le mélange résultant de la combustion empruntant ensuite les passages de sortie du préchauffeur pour parvenir hors du dispositif, et parvenir par exemple à l'air libre. On sait, par exemple grâce au brevet US-A-4 067 191, régler la combustion d'un combustible avec de l'air en régulant le débit-masse d'air, en mesurant ce débit-masse d'air puis en régulant le débit-masse du combustible en fonction du débit-masse mesuré pour l'air. Le brevet US- A-4 389 185, montre l'utilisation d'un air préchauffé pour constituer de l'air primaire aussi bien que de l'air secondaire, à propos de la combustion d'un carburant volatilisé. Il est possible d'utiliser les dispositifs connus, sans modifications, également pour la combustion de com- bustibles qui sont déjà gazeux sans avoir été volatilisés au préalable. Cependant, les combustibles gazeux doivent être fournis à des pressions supérieures à la chute de pression qu'ils subissent lors de leur passage dans le dispositif de combustion, y compris le préchauffeur, et très souvent du gaz est délivré dans un réseau ou fais- ceau tubulaire à une pression qui n'est que légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Il est certainement possible d'augmenter la pres- sion du gaz à l'aide d'une pompe, mais cela complique le système et augmente nécessairement le prix de l'équi- pement de base ainsi que les frais de fonctionnement. L'invention vise à fournir, notamment pour un moteur à gaz chaud, un dispositif de combustion, qui soit à la fois extrêmement bon marché et très fiable, et com- porte un moyen pour l'introduction automatique de gaz à un débit-masse correspondant à un débit-masse d'air lui-même régi par la demande de chaleur. On y parvient, dans une forme spécifique de réalisation, en prévoyant un moyen pour diviser, en aval du préchauffeur, l'air en deux trajets: un trajet primaire traversant la zone de mélangeage du disposiitf de combustion pour parvenir ensuite dans la zone de combustion proprement dite, et un trajet secondaire qui contourne la zone de mélangeage et conduit directement à la zone de combustion. Le dispo- sitif selon l'invention comprend ainsi un premier dispo- sitif de création de tourbillons, en amont d'un éjec- teur, cependant qu'un conduit relie le dispositif à une source de combustible gazeux qu'il fournit à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, en faisant saillie dans l'éjecteur au niveau duquel ce tube se termine. La sortie de ce. conduit est disposé de façon à introduire le combustible gazeux, provenant. de cette source, dans le trajet de l'air primaire et dans la zone de mélangeage avant que ce trajet d'air primaire n'atteigne la zone de combustion. L'éjecteur comprend, à la sortie de ce conduit d'alimentation en gaz, un moyen agissant sur le trajet primaire pour créer une pression inférieure à celle du combustible gazeux à la sortie de ce conduit, de sorte que le combustible gazeux est aspiré par le cou- rant d'air traversant ce trajet primaire, pour se mélanger à l'air et former un mélange riche qui passe dans la zone de combustion pour y brûler avec l'air pénétrant dans la zone de combustion en empruntant le trajet secondaire. Pour cela, l'éjecteur comprend un étranglement, ou zone de restriction, correspondant à la plus petite surface de section traversée par les fluides, de sorte que la pression de l'air est, dans cette zone, inférieure à la pression du gaz dans le tube d'alimentation en gaz, lequel se termine au niveau de cet étranglement. L'homme du métier va immédiatement comprendre que, si l'on diminue la pres- sion d'air statique dans cette zone pour la faire parvenir à une valeur égale ou légèrement inférieure à la pression atmosphérique, il suffira d'une pression de gaz légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour alimenter une chambre de combustion associée. Une chambre de bras- sage par tourbillonnage, voisine du premier dispositif de création de turbulences et de l'éjecteur, reçoit de l'air préchauffé provenant du préchauffeur. La décharge, ou refoulement, d'une soufflante ou d'un compresseur ali- mentant un préchauffeur en de l'air comburant, est régulée de façon à maintenir à une température prédéterminée l'air fourni à la chambre de brassage; donc, la masse d'air fournie par la soufflante ou le compresseur varie, afin de conserver cette température. Un second dispositif de création de turbulences fournit également de l'air pré- chauffé turbulent, provenant de la chambre de brassage, pour envoyer cet air préchauffé à la chambre de combustion. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, à titre illustratif et nullement limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel: la figure 1 montre, schématiquement et en coupe axiale, un dispositif de combustion selon l'invention, servant à chauffer un milieu de travail pour moteur à gaz chaud; la figure 2 est un diagramme, montrant la pression de l'air (en ordonnées) en fonction du trajet de circula- tion de cet air (en abscisse, axe des S); et la figure 3 est une coupe schématique, à plus grande échelle, de l'extrémité du tube d'alimentation en gaz, et de l'éjecteur. Dans son encadré, la figure 3 est placée de manière à correspondre approximativement aux abscisses de situation ou de position (axe des S) de la figure 2. La figure 1 montre une chambre 1 de combustion entourée par un préchauffeur 2 annulaire et placée au voisinage d'un certain nombre de tubes 3 de chauffage ou de réchauffage contenant un milieu gazeux de travail destiné à fonctionner dans un moteur à gaz chaud, qui n'est pas plus spécialement représenté. Des gaz de combus- tion, représentés par des flèches doubles, se forment dans la chambre 1 de combustion et se refroidissent par- tiellement pendant que ces gaz circulent autour des tubes 3. Les gaz quittent le dispositif en empruntant le pré- chauffeur 2, qui-est du type à récupération, comportant des passages adjacents destinés, les uns à convoyer des gaz brûlés, provenant de la combustion et qui peuvent sortir en E du préchauffeur pour parvenir par exemple à l'atmosphère à la pression atmosphérique, et les autres à de l'air, arrivé en A et que la soufflante ou le com- presseur 12 a introduit dans le préchauffeur 2. La partie inférieure du préchauffeur 2, présentée sur la figure 1, montre un passage pour des gaz de combustion sortant en E, alors que la partie supérieure du préchauffeur illustre (sur la figure 1) un passage pour un courant d'air pénétrant dans le dispositif et qui est représenté par des flèches simples. L'air est délivré par un com- presseur ou une soufflante 12 à un débit-masse régulé par un système 16 de régulation représenté schématiquement sur la figure 1, et dont le fonctionnement dépend de la température du milieu de travail circulant dans les tubes 3. Ce milieu peut être un fluide et, plus particulièrement, un gaz ou de la vapeur d'eau. La figure 1 montre le sys- tème 16 de régulationqui comprend une sonde 18 détectant et indiquant la température au niveau des tubes 3. Cette sonde est également montrée de façon schématique. Un sys- tème de régulation convenable est décrit de façon plus détaillée dans le brevet US-A-4 067 191 précité. Après son passage dans le préchauffeur 2, l'air pénètre dans une chambre 4 de brassage et de distribution, d'o cet air peut s'échapper pour constituer l'air pri- maire empruntant un premier dispositif 5 de création d'une turbulence par tourbillonnage. Le dispositif 5 est annu- laire et entoure un tube ou conduit 6 d'alimentation en gaz, G, en provenance d'une source de ce gaz combustible. L'air peut également quitter la chambre 4 en constituant de l'air secondaire qui passe par un second dispositif, 7, de création de turbulences par tourbillonnage. Le second dispositif, 7, est voisin de la chambre 1 de combustion. L'air empruntant le premier dispositif 5 de création de tourbillons joue le rôle d'un air primaire et il passe dans une zone annulaire entourant l'extrémité de sortie du tube ou conduit 6 d'alimentation en gaz. Cette zone annulaire es.t située dans la partie formant étranglement d'un éjecteur, dans lequel le tube 6 fait saillie. Le premier dispositif 5 de création de tourbillons est placé autour de -l'entrée de l'étranglement de l'éjecteur et ce premier dispositif 5 a un diamètre inférieur à celui du second dispositif 7 de création de tourbillons. Le second dispositif 7 est placé autour de la sortie de la surface de paroi annulaire 9, s'évasant vers l'extérieur, de l'éjecteur. La sortie 10 du conduit 6 comprend un ori- fice disposé dans un plan transversal ou perpendiculaire à la direction d'écoulement du combustible gazeux dans ce conduit 6. L'étranglement annulaire 8 de l'éjecteur est disposé autour de cette sortie 10 du conduit 6 (voir notamment la figure 3). Dès qu'il est suffisamment mélangé à l'air secondaire (C), le mélange riche de gaz (G) et d'air primaire (B) est allumé sous l'effet de la haute température régnant dans la chambre 1 de combustion ou bien sous l'effet d'une bougie d'allumage (non repré- sentée). On va maintenant se référer à la figure 2 (ordonnées: pression; abscisses: situation ou position S des éléments du dispositif) pour décrire le fonction- nement du dispositif de combustion, représenté sur les figures 1 et 3. La pression de l'air fourni par le compresseur ou la soufflante 12 à la chambre 4 de brassage et de dis- tribution est égale à Pl. cette chambre 4 ayant la position s sur la figure 2. Après le premier dispositif 5 de créa- tion de turbulences, mais avant d'atteindre l'étranglement 8, l'air primaire se trouve à la pression P2 et sa posi- tion est représentée en s2 sur la figure 2. La pression au niveau de l'étranglement annulaire 8 est égale à 3 ce qui est une pression inférieure à la pression de gaz G fournie par le tube 6. La pression régnant dans la cham- bre 1 de combustion est égale à p4 et la position de cette chambre est en s4 sur la figure 2, cependant que la pres- sion p5 représente la pression des gaz d'échappement E après leur sortie du préchauffeur 2. Cette pression est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Cet air E peut sortir dans une atmosphère se trouvant à la pression atmosphérique. Alors que les diverses pressions de l'air primaire sont indiquées par la courbe en trait plein, la courbe en trait interrompu représente la chute de pression P1 - p4 à laquelle l'air secondaire est exposé lors de sa traversée du second dispositif, 7, de création de turbulences. L'écoulement du gaz G empruntant le tube ou con- duit 6 est indiqué par des traits mixtes, et le débit- masse de ce gaz est fonction du débit-masse, régulé, de l'air alimentant le dispositif de combustion selon l'invention -(figure 1). Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif, décrit et représenté, pour faire brûler un gaz combustible avec une quantité régulée d'air. REVENDICATIONS 1. Dispositif de combustion pour un moteur à gaz chaud du type dans lequel un gaz chaud de travail reçoit de l'énergie thermique par échange de chaleur avec l'énergie thermique engendrée dans un dispositif de combustion dans lequel un gaz combustible est brQlé avec de l'air, ce dispositif de combustion comprenant un pré- chauffeur pour préchauffer l'air a l'aide de l'énergie thermique extraite des produits de la combustion du com- bustible gazeux et de l'air dans ce dispositif, un moyen pour comprimer l'air afin de créer un écoulement selon un trajet faisant pénétrer l'air dans le préchauffeur, faisant ensuite passer l'air dans des zones de mélangeage puis de combustion de ce dispositif de combustion puis par un trajet empruntant le préchauffeur pour faire sor- tir les gaz d'échappement, dispositif de combustion caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour diviser le courant d'air, en aval de son trajet d'entrée passant par le préchauffeur (2), *en un trajet primaire (B) traver- 'sant la zone de mélangeage (4, 8) du dispositif de com- bustion puis dans la zone (1) de combustion, et en un trajet secondaire (C) qui contourne la zone (B, 9) de mélangeage et conduit directement à la zone (1> de com- bustion, un conduit (6) destiné à assurer la liaison avec une source d'alimentation en combustible gazeux et qui fournit le combustible gazeux (G), ce conduit (6) ayant une sortie (10) disposée de façon à intro- duire le combustible gazeux provenant de sa source dans le trajet primaire (B) et dans la zone de mélangeage avant que ce trajet primaire n'atteigne la zone (1) de combustion, et un moyen, situé à la sortie du conduit (6), et qui agit sur le trajet primaire (B) pour y créer une pression (p3) inférieure à celle du combustible gazeux à la sortie (10) du conduit (6), de sorte que le combustible gazeux est aspiré par l'air circulant dans le trajet primaire pour se mélanger à cet air et former un mélange riche qui passe dans la zone (1) de combustion pour y brûler avec l'air (C) ayant emprunté le trajet secondaire pour parvenir dans cette zone (1) de combustion. 2. Dispositif de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre (4) de brassage et distribution disposée, dans le trajet d'en- trée de l'air, en aval du préchauffeur (2), un premier dispositif (5) de création de turbulences placé, sur ce trajet primaire, entre la chambre (4) de brassage et distribution et la zone en amont de la sortie (10) du conduit (6) et un second dispositif (7) de création de turbulences, placé sur le trajet secondaire (C) entre la chambre (4) et la zone (1) de combustion, l'air arrivé en aval de ce second dispositif (7), en suivant le second trajet (C), brûlant avec le mélange riche, provenant de la zone de mélangeage. 3. Dispositif de combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen agissant sur le trajet primaire (B) & la sortie (10) du conduit (6) comprend un étranglement (8) annulaire disposé autour de la sortie (10) et une surface de paroi annulaire (9) s'évasant vers l'extérieur et s'étendant depuis cet étranglement (8) dans la direction d'écoulement de l'air et du gaz. 4. Dispositif de combustion selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second dispositif (7) de création de turbulences est disposé autour de la sortie de la surface de paroi annulaire (9) évasée vers l'exté- rieur. 5. Dispositif de combustion selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier dispositif (5) de création de tourbillons est disposé autour de l'entrée de l'étranglement (8), ce premier dispositif (5) ayant un diamètre. inférieur à celui du second dispositif (7). 6. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la sortie (10) du conduit (6) comprend un orifice disposé dans un plan transversal ou perpendiculaire & la direction d'écoulement du combus- tible gazeux (G) dans le conduit (6), et le moyen d'action se trouvant à la sortie (10) du conduit (6) comprend un étranglement annulaire (8) disposé autour de la sortie (10) du conduit (6). 7. Dispositif de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen permettant d'exposer le trajet de sortie des gaz brûlés traversant le préchauffeur (2) à une pression généralement égale à la pression atmosphérique et un moyen permettant de fournir le combustible gazeux, provenant de sa source d'alimentation, dans le conduit (6) à une pression légè- rement supérieure à la pression atmosphérique.