Brevet FR2695712A1 — publié le 19940318

L'invention se rapporte à un tube de flamme pour un brûleur destiné à la combustion de combustibles liquides ou gazeux, comprenant une paroi tubulaire péri- phérique qui délimite une chambre de combustion pouvant être alimentée en combustible et air par l'arrière qui est fermée à cet endroit par un diaphragme, et ouverte vers l'avant, et un dispositif directeur disposé entre l'extrémité ouverte de cette paroi latérale et le dia- phragme. Un tube de flamme de ce genre est connu, par exemple, par le brevet DE 32 Il 465 Al Le tube de flam- me cylindrique renferme un tube de mélange disposé con- centriquement, dans lequel débouchent la buse de combus- tible et des canaux d'amenée d'air Dans le tube de mé- lange, le combustible se mélange à l'air et est enflam- mé Il se produit alors une flamme de forme allongée, de sorte que le tube de flamme renferme la zone de combus- tion Pour éviter la formation de suie dans le tube de flamme, sur le côté proche du diaphragme, il est prévu dans le tube de flamme, entre l'extrémité ouverte de ce tube et le tube de mélange un dispositif directeur qui forme des canaux de gaz recyclé entre lui-même et le tu- be de combustion. Des produits de combustion pauvres en oxygène sont aspirés en provenance du côté arrière de la flamme, en passant par l'espace annulaire qui entoure le tube de mélange Ces produits de combustion chauds recyclés se mélangent au flux central dans le tube de mélange, en cé- dant de la chaleur. Par ailleurs, la vitesse de l'air dans le tube de mélange est en général supérieure à la vitesse de pro- pagation de la flamme, de sorte que la flamme brûle à distance en avant de l'extrémité aval du tube de mélan- ge. Les bruits de fonctionnement qui se produisent dans un système de combustion réalisé de cette façon, qui possède un haut rendement de chauffage, peuvent être considérables parce qu'ils proviennent de grandes vites- ses d'écoulement et de l'application de principes d'ac- tion connus de la dynamique des fluides. Les conséquences avantageuses de ces principes sont certes une combustion optimale avec réduction de l'émission de substances polluantes N Ox, et une absence presque totale de suies dans les gaz de fumées. Une nouvelle réduction de l'émission de NO exi- gerait l'application de techniques d'abaissement de la pollution. Toutefois, ces technologies connues d'abaisse- ment de l'émission de substances polluantes N Ox condui- sent à la limite de stabilité de fonctionnement de la flamme. Il est connu, par le brevet allemand DE 27 00 671 C 2 qu'on peut obtenir une réduction du bruit par une variation de la section du tube de flamme, par exemple par un évasement conique Toutefois, les flux de flamme qui sont alors guidés de façon indéterminée conduisent à des ruptures de l'écoulement et accroissent les turbulen- ces qui proviennent de l'échange de masse entre le flux de flamme et l'atmosphère de la chambre de combustion. Ces irrégularités locales de la combustion conduisent à nouveau à un accroissement de la production de polluants N Ox. En partant de cet état de fait, le but de l'in- vention est de créer un tube de flamme du genre en ques- tion qui évite dans une large mesure la production de bruit en conservant de très hautes puissances de brû- leurs et qui, en même temps, garantisse une faible pro- duction de polluants. Selon l'invention, ce problème est résolu par le fait que le tube de flamme est composé d'une partie cylindrique et d'un diffuseur monté sur le côté qui est à l'opposé du diaphragme, et qui agrandit progressive- ment la section du tube de flamme en direction de l'ex- trémité ouverte, en ce que le diffuseur est composé de la paroi extérieure et d'au moins un autre tube disposé concentriquement, qui présente une section s'agrandis- sant en direction de l'extrémité ouverte, l'angle d'ou- verture i( du tube le plus intérieur étant au maximum de 150 et les angles d'ouverture des tubes plus extérieurs étant supérieurs de 15 au maximum à celui du tube plus intérieur le plus proche, en ce que le rapport entre les surfaces annulaires parcourues par le courant formées en- tre les tubes, reste le même au début et à la fin du dif- fuseur, et en ce qu'il est prévu dans la partie cylindri- que du tube de flamme un dispositif directeur de flux qui comprend, dans la direction axiale du tube de flam- me, plusieurs canaux servant à subdiviser le tube de flamme en flux individuels, ce dispositif directeur de flux se trouvant à une distance du diaphragme qui est d'au moins un quart de la longueur totale du tube de flamme. Le diffuseur conduit le flux de flamme de telle manière que ce dernier prenne un plus grand diamètre de flux de flamme Les angles d'ouverture sont choisis de telle manière qu'il ne puisse pas se produire de rupture de l'écoulement En faisant passer le flux de flamme en- tre la paroi latérale extérieure et les tubes disposés concentriquement, on réduit en outre les ruptures d'écou- lement Par ailleurs, ces dispositions réduisent la den- sité du flux de chaleur dans la flamme et réduisent les turbulences après la sortie de la flamme du tube de flam- me, qui proviennent de l'échange de masse entre le flux de flamme et l'atmosphère de la chambre de combustion de sorte qu'au total, l'émission de N Ox et la production de bruit sont réduites. Au moyen du dispositif directeur de flux prévu dans le diffuseur ou dans la partie cylindrique du tube de flamme, l'écoulement de la flamme est uniformisé sur la surface de section par la division en deux parties des flux individuels On obtient donc ainsi une plus grande stabilité de la flamme eh régime continu et au démarrage Par ailleurs, le dispositif directeur de flux se comporte comme un obstacle dans la direction de la propagation de l'énergie sonore à travers l'extrémité ou- verte du tube de flamme, de sorte que, en supplément, avec cette disposition le niveau de bruit dans le tube de flamme est considérablement abaissé. Selon une autre caractéristique de l'invention, un dispositif directeur contenu dans le diffuseur peut être composé d'éléments directeurs disposés radialement, en formant un angle de vrillage /3 de 450 au maximum avec l'axe longitudinal du diffuseur Il en résulte une plus grande obstruction et un meilleur effet de réduction du bruit, cependant que jusqu'à l'angle de vrillage criti- que, on obtient encore une uniformisation suffisante du flux de flamme. Le dispositif directeur logé dans la partie cy- lindrique du tube de flamme peut être avantageusement réalisé à l'aide de nervures uniformément espacées qui se croisentr pour former une grille ou à l'aide d'une plaque perforée de section circulaire, la plaque perfo- rée présentant plusieurs perçages uniformément répar- tis. Les indications de dimension données selon l'in- vention indiquent des valeurs critiques au-dessus et au- dessous desquelles on ne doit pas passer, pour des rai- sons de dynamique des fluides. Les figures du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, feront bien comprendre comme l'inven- tion peut être réalisée Sur ces dessins la figure 1 est une coupe longitudinale partiel- le d'un premier exemple de réalisation d'un tube de flam- me selon l'invention; la figure 2 est une vue du tube de flamme selon la figure 1, prise dans la direction II-Il; la figure 3 est une coupe longitudinale partiel- le d'un deuxième exemple d'un tube de flamme selon l'in- vention; la figure 4 est une vue du tube de flamme selon la figure 3, prise dans la direction IV-IV. Le tube de flamme 1 qui est à la base de l'exem- ple de réalisation selon les figures 1 et 2, limite, avec une paroi tubulaire périphérique, une chambre de combustion pouvant être alimentée en combustible et en air par l'arrière, qui est fermée à cet endroit par un diaphragme 2, et ouverte vers l'avant Le tube de flamme 1 est composé d'une partie cylindrique 4 et d'un diffu- seur 5 qui agrandit progressivement la section du tube de flamme en direction de l'extrémité ouverte. Le diffuseur 5 présente une paroi extérieure 6 et deux autres tubes 7, 8, disposés concentriquement, dont la section transversale s'agrandit en direction de l'extrémité ouverte. La longueur axiale LD du diffuseur 5 est de pré- férence liée à la longueur totale du tube de flamme par un rapport de LD:L = 1:2. L'angle d'ouverture i du tube intérieur 8 est au maximum de 150 tandis que l'angle d'ouverture des tu- bes 6, 7 plus extérieurs croissent au maximum de 150 à chaque fois. Les angles d'ouverture sont par ailleurs calcu- lés de manière que le rapport des surfaces annulaires en- tre les tubes 6, 7, 8 qui sont parcourues par le courant reste le même au début et à la fin du diffuseur. A l'intérieur du diffuseur 5 est prévu un dispo- sitif directeur de flux qui, en section relie entre eux la paroi extérieure 6 et les tubes 7, 8 disposés concen- triquement, et forme des canaux 10 servant à subdiviser le flux de flamme en flux élémentaires et assure aussi une fonction de soutien pour le diffuseur 5. Le dispositif directeur 9 est composé d'élé- ments directeur Il disposés radialement, qui divisent la section circulaire du diffuseur en huit segments de cer- cle 12 égaux, qui s'élargissent donc en étoile à partir du centre du cercle, selon un angle Y de 45 . Ces dispositions avantageuses peuvent encore être perfectionnées par le fait que les éléments direc- teurs Il sont inclinés en formant un angle de vrillage 3 de 45 au maximum avec l'axe du diffuseur. Un autre tube de flamme creux selon l'invention présente, selon les figures 3 et 4, également une partie cylindrique 14 et un diffuseur 15 qui élargit progressi- vement la section de flamme en direction de l'extrémité ouverte Ici aussi, le tube de flamme 13 est fermé d'un côté au moyen d'un diaphragme 16 et ouvert sur le côté opposé. Le diffuseur 15 présente une paroi extérieure 16 et deux autres tubes 18, 19, disposés concentrique- ment, dont la section s'agrandit en direction de l'extré- mité ouverte Les indications de dimensions de l'angle d'ouverture et les indications d'angle pour les tubes 17, 18, 19 et pour leur écartement mutuel, ainsi que l'indication de rapport entre la longueur axiale du dif- fuseur 15 et celle de la partie cylindrique 14 sont les mêmes que dans le premier exemple de réalisation. Un dispositif directeur de flux 20 'est prévu dans la partie cylindrique 14 du tube de flamme 13 et ce dispositif comprend, dans la direction axiale du tube de flamme 13, plusieurs canaux 21 qui servent à subdiviser le flux de flamme en flux individuels. Le dispositif directeur de flux 20 se trouve à une distance LS du diaphragme 16 qui est d'au moins un quart de la longueur totale du tube de flamme 13 Le dis- positif directeur de flux 13 est avantageusement disposé sur le côté de la partie cylindrique 14 du tube de flam- me 13 qui est le plus éloigné du diaphragme et immédiate- ment en amont du diffuseur 15 dans le sens de l'écoule- ment. Le dispositif directeur 20 est composé de nervu- res 22 uniformément espacées les unes des autres, qui se croisent selon un angle de 90 , en formant ainsi une grille. Cette forme de réalisation peut encore être amé- liorée par le fait que -la largeur de maille LM de la grille représente au moins un vingtième du diamètre D de la grille. Dans les deux exemples de réalisation, le diffu- seur 5, 15 et le dispositif directeur de flux 9, 20 ain- si que la partie cylindrique 4, 14 du tube de flamme 1, 13 sont fabriqués en une matière céramique à haute résis- tance à la température, ou en une matière métallique tel- le que, par exemple, l'acier, ou encore en une matière catalytique. Une autre disposition avantageuse consiste en ce qu'un tube de sortie cylindrique est emmanché sur le diffuseur 5, 15. R E V E N D I C A T I O N S 1 Tube de flamme pour un brûleur destiné à la combustion de combustibles liquides ou gazeux, compre- nant une paroi tubulaire périphérique qui délimite une chambre de combustion pouvant être alimentée en combusti- ble et air par l'arrière qui est fermée à cet endroit par un diaphragme, et ouverte vers l'avant, et un dispo- sitif directeur disposé entre l'extrémité ouverte de cet- te paroi latérale et le diaphragme, caractérisé par le fait que le tube de flamme ( 1) est composé d'une partie cylindrique ( 4) et d'un diffuseur ( 5) monté sur le côté qui est à l'opposé du diaphragme, et qui agrandit pro- gressivement la section du tube de flamme en direction de l'extrémité ouverte, en ce que le diffuseur ( 5) est composé de la paroi extérieure ( 6) et d'au moins un au- tre tube ( 7, 8) disposé concentriquement, qui présente une section s'agrandissant en direction de l'extrémité ouverte, l'angle d'ouverture $ du tube le plus intérieur t 8) étant au maximum de 150 et les angles d'ouverture des tubes ( 6, 7) plus extérieurs étant supérieurs de 15 au maximum à celui du tube plus intérieur le plus pro- che, et en ce que tous les angles d'ouverture sont calcu- lés de manière que le rapport entre les surfaces annulai- res parcourues par le courant formées entre les tubes ( 6, 7, 8), reste le même au début et à la fin du diffu- seur ( 5). 2 Tube de flamme pour un brûleur destiné à la combustion de combustibles liquides ou gazeux, compre- nant une paroi tubulaire périphérique qui délimite une chambre de combustion pouvant être alimentée en combusti- ble et air par l'arrière qui est fermée à cet endroit par un diaphragme, et ouverte vers l'avant, et un dispo- sitif directeur disposé entre l'extrémité ouverte de cet- te paroi latérale et le diaphragme, caractérisé en ce que le tube de flamme ( 13) comprend une partie cylindri- que ( 14) dans laquelle est prévu un dispositif directeur de flux ( 20) qui renferme, dans la direction axiale du tube de flamme ( 13), plusieurs canaux ( 21) servant à sub- diviser le flux de flamme en flux élémentaires, le dispo- sitif directeur de flux ( 20) se trouvant à une distance LS du diaphragme ( 16) qui représente au moins un quart de la longueur totale du tube de flamme. 3 Tube de flamme selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'à l'intérieur du diffuseur ( 5) est prévu un dispositif directeur de flux ( 9) qui, dans une section, relie la la paroi extérieure ( 6) et les tubes ( 7, 8) disposés concentriquement entre eux, et forme les canaux ( 10) servant à subdiviser le flux de flamme en flux élémentaires. 4 Tube de flamme selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que le dispositif directeur ( 9) est com- posé d'éléments directeur ( 11) disposés radialement, et inclinés avec un angle de vrillage de P de 450 au maxi- mum. Tube de flamme selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'un diffuseur ( 15) est agencé sur le côté de la partie cylindrique ( 14) qui est à l'opposé du diaphragme ( 16), le diffuseur ( 15) étant composé de la paroi latérale extérieure ( 17) et d'au moins un tube ad- ditionnel ( 18, 19) disposé concentriquement, qui présen- te une section qui s'agrandit en direction de l'extrémi- té ouverte. 6 Tube de flamme selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que l'angle d'ouverture K du tube le plus intérieur ( 19) est au maximum de 150 et que les an- gles d'ouverture des tubes situés à l'extérieur ( 17, 18) sont agrandis à chaque fois de 15 au maximum par rap- port à l'angle d'ouverture du tube plus intérieur le plus proche, et en ce que tous les angles d'ouverture sont calculés de telle manière que le rapport des surfa- ces annulaires entre les tubes ( 17, 18, 19) qui sont par- courues par le courant reste le même au début et à la fin du diffuseur ( 15). 2695712 7 Tube de flamme selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le dispositif directeur ( 20) est com- posé de nervures ( 22) uniformément espacées les unes des autres, qui se croisent, et qui forment une grille. 8 Tube de flamme selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que la largeur de maille LM de la grille représente au moins un vingtième du diamètre D de la grille. 9 Tube de flamme selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le dispositif directeur de flux ( 20) est constitué par une plaque perforée présentant plu- sieurs perçages uniformément répartis. Tube de flamme selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que le dispositif directeur de jet ( 20) est agencé sur le côté de la partie cylindrique ( 14) du tube de flamme ( 13) qui est à l'opposé du dia- phragme ( 16) et disposé immédiatement en amont du diffu- seur ( 13) dans le sens de l'écoulement. 11 Tube de flamme selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le diffuseur ( 5, 15) et le dis- positif directeur de flux ( 9, 20) ainsi que la partie cy- lindrique ( 4, 14) du tube de flamme ( 1, 13) sont fabri- qués en une matière céramique. 12 Tube de flamme selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le diffuseur ( 5, 15) et le dis- positif directeur de flux ( 9, 20) ainsi que la partie cy- lindrique ( 4, 14) du tube de flamme ( 1, 13) sont fabri- qués en une matière métallique, comme, par exemple, l'acier. 13 Tube de flamme selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que la longueur axiale LD du dif- fuseur ( 5, 15) est liée à la longueur totale L du tube de flamme par un rapport inférieur au rapport LD:L = 1:2. 14 Tube de flamme selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce qu'un tube de sortie cylindrique peut être emmanché sur le diffuseur ( 5, 15) sur le côté aval.