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Il 'existe en service des brûleurs pour fours industriels qui utilisent des combustibles liquides, On demande à des brûleurs de ce type,d'une part, de pulvériser finement le combustible liquide et , d'autre part de mélanger intimement le combustible pulvérisé avec l'agent d'oxydation pour obtenir une combustion sans résidu.Pour cela, il est nécessaire de gazéifier complètement le combustible, étant bien connu que la gazéification se déroule d'autant plus rapidement que la pulvérisation est plus fine.
Pour obtenir une pulvérisation aussi fine que possible, on préfère utiliser la vapeur d'eau que l'air sous pression froid, quoique l'utilisation de va- peur d'eau, par exemple lors de l'introduction dans l'enceinte de la sole d' un four Siemens-Martin, doit normalement provoquer une oxydation accrue de la matière fondue.
On connaît et on utilise, pour pulvériser des combustibles liqui- des, des dispositifs dans lesquesl le combustible, sortant d'un tube d'arri- vée par des tuyères appropriées, pénètre dans une enceinte dans laquelle le combustible est mis en mouvement fortement turbulent par chocs multiples contre les parois.
Le combustible, ainsi mis en mouvement turbulent, sort . de la tuyère? toutefois, sous forme d'une pluie fine,, et non sous forme de brouillard. lie combustible et l'air, ou l'oxygène,se mélangent donc d'une manière turbulente et non instantanée.A ce phénomène est en outre liée une post-combustion à l'extérieur de la flamme du brûleur, ce qui conduit à. @ un long trajet de combustion.Pour éviter la formation d'une flamme pointa- te, on doit prévoir, par conséquent, une chambre de combustion suffisamment grande.
La présente invention indique un moyen permettant d'obtenir une combustion rapide et complète de combustibles liquides.Selon l'invention/ le procédé de pulvérisation de combustibles liquides est remarquable par le -fait qu'aussi bien la pulvérisation elle-même, que le mélange avec l'agent d'oxydation (air, oxygène ou mélange des deux) s'effectuent dans des condi- tions.d'écoulement laminaire, tandis que, jusqu'à présent,ces processus s' effectuaient dans des conditions d'écoulement turbulent.
Par "laminaire", on doit entendre tout processus d'écoulement dans lequel chaque particule individuelle conserve sa direction de mouvement; direction qui ne diffère pas notablement de celle d'une particule individuel- le voisine. Dans ce cas, la trajectoire du mouvement peut être rectiligne ' ou curviligne. Dans ces conditions, on peut également considérer l'état d'écoulement d'un tourbillon comme laminaire, si, pendant le mouvement des particules individuelles, il ne se produit pas de changements susceptibles' de provoquer des chocs mutuels entre particules individuelles. Si, toutefois, il se produit de tels chocs mutuels entre particules, alors/le processus d'écoulement n'est plus laminaire, mais turbulent.
La présente invention indique en détail le moyen de parvenir, par l'éclatement des gouttelettes d'une pluie fine, à la formation de particules ,de brouillard capables de demeurer an suspension et, par suite, obtenir un ren- dement maximum idéal pour la combustion d'un combustible liquide. On y par-, vient, selon l'invention, en provoquant d'abord la division du combustible liquide en multiples gouttelettes individuelles par une pulvérisation sous . pression, qui peut également s'effectuer dans des conditions d'écoulement 'turbulent, et ensuite en faisant en sorte qu'il se produise une post-pulvéri- sation efficace.Le combustible liquide préalablement pulvérisé est entraîné :en ligne droite dans une enceinte, au moyen d'un gaz entretenant la combus- tion, avec initialement la même impulsion.
On parvient ainsi à un processus 'd'homogénéisation qui se déroule à la manière d'une compensation de pression et qui s'achève par un éclatement des différentes gouttelettes en particules e brouillard pouvant rester en suspension.On obtient ainsi un mouvement ,
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.laminaire du fluide, qui ne doit pas se transformer en mouvement turbulente car tout mouvement turbulent conduit nécessairement à des chocs mutuels en- tre particules de brouillard et, par suite, à leur recoagulation.
En utilisant le nouveau procédé selon l'invention, on parvient à réaliser une pulvérisation avec des pressions relativement faibles et avec des longueurs de combustion assez courtes. Il en résulte que l'on ne peut pas toujours empêcher que la flamme du brûleur, lors de l'utilisation de pres- sions assez faibles, ne vacille accidentellement, car les gouttelettes d' huile parviennent non brûlées sur une assez longue distance.
L'invention a encore pour objet de remédier à cet inconvénient, susceptible de se produire accidentellement, qu'est le vacillement de la flamme, et elle prévoit, à cet effet, de maintenir pratiquement égales la pression d'admission du combustible dans le brûleur, en particulier lors de l'entrée dans la chambre de mélange, et la pression d'admission de l'agent de pulvérisation.
L'invention vise encore à permettre de régler à une valeur optimum la vitesse de sortie du brouillard déjà pulvérisé, en fonction de la vitesse de sortie de l'agent d'oxydation à la bouche du brûleur.
Dans le dispositif selon l'invention, il est important de pouvoir obtenir, tant par des moyens manuels que par des moyens automatiques, l'é- galité de pression des deux fluides, indépendamment de la charge du brûleur.
Jusqu'à présent, on n'avait réalisé que des brûleurs à réglagle de la charge.
A titre nullement limitatif, on a représenté au dessin annexé un certain nombre d'exemples de réalisation de brûleurs et dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention dessin sur lequel : la fige 1 est une vue schématique de principe, en coupe axiale, d'un brûleur à pulvérisation de type connu; la fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la fig. 1.' la figo 3 est une vue en coupe longitudinale d'un brûleur selon l'in- vention; la fig. 4 est une vue en coupe selon la ligne B-B de la figo 3; la fig. 5 est une vue en coupe selon la ligne C-C de la fig. 3;- la fig. 6 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réa- lisation d'un brûleur selon l'invention; la fig. 7 est une vue en coupe longitudinale par l'extrémité du brûleur représenté à la fige 6;
la figo 8 est une vue en coupe longitudinale d'une autre variante de réalisation d'un brûleur selon l'invention; la fig. 9 est une vue d'un organe directeur d'écoulement destiné au brûleur représenté à la fig. 8, la fig. 10 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la fig. 9; la fig. 11 est une vue en coupe selon la ligne B-B de la fig. 9;- les fig. 12 et 13 sont des vues schématiques représentant chacune un dispositif de mise en oeuvre du procédé d'égalisation des pressions de combustible et de fluide pulvérisateur selon l'invention; la fig. 14 est une vue en coupe longitudinale de l'extrémité arrière 'du brûleur.
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la fig. 15 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la fig. 14, et la fig. 16 est une vue en coupe selon la ligne B-B de la fig.14.
Dans l'exemple de brûleur de type connu représenté aux fig. 1 et
2, on voit que, jusqu'à présent, on parvenait à une bonne pulvérisation d' un combustible liquide en faisant passer le fluide, sortant du tube d'alimen- tation 1 par deux tuyères 2, à l'intérieur d'une enceinte 3 d'où, après avoir été mis en mouvement violemment turbulente par une multiplicité de chocs contre les parois de l'enceinte, il sortait par la tuyère 4 de l'enveloppe
5 sous forme d'une pluie fine, et brûlait, en se mélangeant avec l'air de combustion.
Dans l'exemple de réalisation représenté à la fig. 3, le brûleur comporte une partie arrière pour la pulvérisation et une partie avant refroi- die à l'eau. Il se produit tout d'abord une prépulvérisation, du fait que le combustible liquide, après passage par la tuyère 6 et le fluide de pulvé- risation gazeux pénétrant parla tuyère 6', se rencontrent dans l'enceinte an- nulaire 7. Au cours de ce mouvement de giration circulaire rapide, le flui- de liquide est décomposé en grosses gouttes par le fluide gazeux.
Pour obte- nir une décomposition plus i mportante des différentes gouttelettes en une multitude de particules de brouillard, d'une part, le trajet d'écoulement est trop court, et, d'autre part, ces particules, du fait des chocs centri- fuges sur les parois de la chambre annulaire se recoaguleraient, Néanmoins, on donne, de préférence, à la chambre annulaire une forme évitant tous angles morts et arêtes vives qui pourraient conduire à des conditions de turbulen- ce. A la sortie de la première chambre annulaire 7, le mélange, ayant subi une première pulvérisation, pénètre, par les tuyères 8, disposées tangentiel- .lement, de l'organe directeur d'écoulement 9, dans la chambre de pulvérisa- tion principale 3 en forme de tube.
Celle-ci,qui donne au mélange un mouve- ment de giration hélicoïdal jusqu'à l'embouchure du brûleur, est suffisam- ment longue pour qu'il puisse parcourir le trajet nécessaire à la décomposi- tion aérodynamique-. P6ur que, toutefois, l'énergie cinétique communiquée au mélange par son passage à travers les tuyères 8 puisse se libérer totale- ment pour le mouvement de giration et pour la décomposition indiquée ci-des- sus, l'organe directeur d'écoulement 9 est muni, pour éviter une zone de fluide mort, qui serait autrement très perturbatrice, d'une pointe conique qui correspond à un élargissement conique 10 adapté à la courbure de la poin- te et prévu dans la paroi du tube 11 adjacent.
La paroi du tube 11 est en- tourée de l'enceinte annulaire 12 parcourue par de l'oxygène et porte à l'em- bouchure un organe directeur 13 de forme conique à ses deux extrémités et percé d'un alésage qui est évasé en forme de cône, en 16. En outre, il est prévu, à son embouchure, un organe directeur d'écoulement à double conicité 14 monté au moyen de nervures 15. A la sortie de la lumière annulaire coni- que 16, le brouillard d'huile sort et se mélange avec l' oxygène sortant de la lumière annulaire 19 de forme conique. Un brûleur, tel que celui repré- senté à la fig. 3, matérialise la forme la plus simple de l'invention.
Le brûleur représenté aux figs. 6 à 11 comporte un certain nombre d'importants perfectionnements.
Pour que le taux de pulvérisation élevé du combustible liquide, obtenu par l'élément de pulvérisation I du brûleur, se conserve jusqu'à 1' embouchure du brûleur, et qu'il nese produise pas de recoagulation partielle du fait de la paroi du tube jouant le rôle de paroi réfléchissante, l'inven- tion prévoit encore de réchauffer la paroi du tube 11 à une température su- périeure à celle du brouillard d'huile, afin de disposer ainsi encore d'une chute sensible de température. Grâce à cette mesure, il se produit, pour le brouillard d'huile et les particules de brouillard , qui, autrement , rico-
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obéraient,un effet de répulsion dû à un phénomène aérodynamique bien connu en soi.
Une chute de température d'au moins 20 , de préférence de 50 C, en- tre la paroi 11 et le brouillard d'huile en écoulement, est déjà suffisante pour obtenir l'effet indiqué ci-dessus de répulsion ou d'écartement. Cette chute de température est obtenue par chauffage de la paroi du tube 11 au moyen d'oxygène chauffé qui s'écoule le long de la paroi extérieure du tube 11, la transmission de chaleur étant augmentée par des ailettes de chauffa- ge 32 soudées en hélice-- sur le tube. Afin que la tuyère de mélange sur la tête de brûleur ne comporte pas de surface de réflexion susceptible de pro- voquer une coagulation du brouillard d'huile, cette tuyère est agencée sous forme d'orifice annulaire, grâce à un corps directeur d'écoulement 14 en double cône.
Par passage de ce corps directeur d'écoulement, le mouvementgira- toire, et le sens de ce mouvement, du brouillard d'huile, sont conservés, grâce à la partie conique dirigée vers l'intérieur. D'autre part, il rayonne sur la surface de la partie conique dirigée vers la chambre du foyer, suffi- samment de chaleur pour qu'il se produise, comme pour le réchauffage de la paroi du tube 11, un effet de répulsion d'écoulement qui empêche une recoa- gulation du brouillard d'huile. La partie conique, dirigée vers le foyer du corps directeur d'écoulement remplit également une zone de fluide mort, qui serait autrement très perturbatrice, de telle sorte que le processus de mé- lange du brouillard d'huile avec l'oxygène sortant des la lumière 16 en forme de couronne, peut s'effectuer de façon convenable.
Il est prévu, en outre, selon l'invention, une autre mesure im- portante. Le sens du mouvement de giration de l'oxydation)sortant selon une trajectoire hélicoïdale de la lumière annulaire 19,déterminé par le sens d'enroulement des ailettes 31 soudée sur la paroi du tube et qui ont simulta- nément un effet analogue à celui d'aubes directrices, est le même que ce- lui du brouillard d'huile sortant, avec un mouvement hélicoïdal, de la lu- mière annulaireß16. Ainsi est évitée, d'une part, l'apparition d'une turbulen- ce susceptible de provoquer la recoagulation du brouillard d'huile. D'autre part, la tendance à l'homgénéisation clés deux fluides confluant avec des nombres de Reynolds différents conduit sensiblement à un état d'atomisation du mélange.
Ainsi l'état d'écoulement, demeure, comme on le désire, laminai- re, en dépit du mouvement de giration des deux fluides * La flamme qui se produit conserve sa composante axiale de mouvement en direction du foyer, grâce à l'angle d'attaque des parois latérales et à la section d'ouverture de la tuyère de sortie d'oxygène. La partie du brûleur qui fait saillie à l'intérieur du foyer est, comme d'habitude., protégée par une enveloppe refroi- die par de-l'eau.
Dans l'exemple représenté à la fig. 7, on voit , à grande échelle, que le mélange à l'embouchure du brûleur se produit par propulsion du brouil- lard de combustible dans le tube 3 selon une trajectoire hélicoïdale. Le sens du mouvement est indiqué par 27. Dans la partie annulaire 12 du tube, l'oxygène se déplace également; suivant une trajectoire hélicoïdale en direc- tion de l'embouchure et se mélange, à l'embouchure du brûleur, avec le même sens degiration.
Dans l'exemple représenté à la figo 8, on voit une autre variante de brûleur selon l'invention. Ce brûleur se différencie des autres brûleurs en ce que la pulvérisation grossière et la pulvérisation plus fine se produi- sent au voisinage de l'orifice du brûleur. On a donc ainsi un exemple d'un brûleur à pulvérisation à l'embouchure. La pulvérisation se produit également ici de telle sorte que l'huile arrive parle tube central 3 jusqu'à l'organe directeur d'écoulement 9' et jaillit par la tuyère 34 (fig. 10) perpendicu- lairement à l'axe du brûleur sur la paroi du tube opposée. La pulvérisation 'grossière se produit du fait que l'air sous pression est entraîné dans un ! .mouvement hélicoïdal par les nervures 32 soudées en hélice sur le tube 3.
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Le Combustible'. grossièrement pulvérisé traverse alors les tuyères 35 (fig.
11). Ces tuyères sont agencées à la manière d'une roue de turbine munie d'aubes directrices. Du fait de ces aubes directrices, le combustible préala- blement pulvérisé est entraîné dans le mouvement hélicoïdal nécessaire pour être pulvérisé sous forme de brouillard extrêmement fin dans la partie suivan- te et jusqu'à l'embouchure du brûleur, aidé en cela par la partie conique du corps directeur 9'. La tuyère de mélange à l'embouchure du brûleur est a- gencé de la manière décrite plus haut. Ici encore entre en action un organe directeur d'écoulement 14 de forme conique destiné à rendre parfait le mélan- ge avec l'oxygène, et ce de manière que le sens du mouvement hélicoïdal de giration du combustible pulvérisé corresponde au sens du mouvement de gira- tion de l'oxygène en écoulement.
A l'oxygène qui sort, on imprime le sens de giration voulu par les nervures en hélice 31.
Selon l'invention, l'ensemble du brûleur selon les fig . 6 et 8 est composé de deux parties, la partie I à enveloppe de refroidissement et la partie II à -¯'enveloppe de chauffage. Dans cette dernière partie, l'oxygè- ne est préalablement chauffé, pour servir d'agent de chauffage à la paroi du tube 11, au moyen d'un chauffage par résistances électriques 24 ou par chauffage par enveloppe de vapeur, au moyen de vapeur d'eau surchauffée par exemple. Les tubulures d'admission 21 pour l'oxygène froid et les tubulures
17 et 18 pour l'entrée et la sortie de l'eau de refroidissement sont prévues aux endroits indiqués sur la fig. 6.La partie destinée à la pulvérisation grossière est indiqée par III sur les fig. 3,6 et 8.
Les parties I et II sont reliées par l'intermédiaire d'un compensateur 36
Aux fig. 12 à 16, est représenté schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'égalisation des pressions des fluides selon l'invention. Dans cet exemple, le réservoir 51 contient le combustible liquide, c'est-à-dire du fuel-oil. Celui-ci est introduit dans le réservoir 51 par la conduite d'alimentation 52 après ouverture.'de la soupape de purge d'air 50.
Au moment de la mise en service du brûleur Br, l'air comprimé, venant du réseau 53,arrive au détendeur 54 et de là est introduit sous pres- sion dans le réservoir 51 ( les conduites d'huile sont indiquées en traits pleins ,les conduitesd'air comprimé en traits pointillés, les conduites de commande en traits ponctués.).La quantité de fuel oil à faire brûler dans le brûleur Br est réglée par passage par l'orifice en mince paroi 56, le tube en U 58, le robinet 57. La pression d'admission dans la chambre de mélange du brûleur Br est indiquée sur le manomètre Oe. L'agent de pulvérisa- tion (air comprimé) arrive par le détendeur 55 et la conduite 48 dans la chambre de mélange du brûleur Br.
Sa pression est lue sur le manomètre Z et) par réglage des détendeurs 54, 55, on règle la pression des deux fluides de façon que les indications des manomètres Oe et Z concordent.La pression régnant dans la chambre de mélange est lue sur le manomètre M.
Si cette concordance des pressions doit être réglée automatique- ment, il est prévu, selon la fig. 13, un régulateur 58' qui règle automatique- ment auxdétendeurs 54' 55' l'égalité de pression, indépendamment de la charge qui est à son tour réglée par l'intermédiaire de l'orifice en mince paroi 56, de la soupape 57 et du tube en U 58.
Comme on le voit sur la fig. 14, le fuel oil pénètre par la condui- te 49 et l'agent de pulvérisation par la conduite 48 dans la chambre de mélange 7 du brûleur. Les deux conduits sont munis de raccords pour les ma- nomètres Oe et Z. L'huile et l'agent de pulvérisation arrivent par les tuyè- res 6, 6' disposées tangentiellement dans la chambre de mélange 7 (fig.15 et 16). Les tuyères 6 et 6' sont montées de façon à être interchangeables et leur section est déterminée en fonction de-la proportion entre le combusti- ble et l'agent de pulvérisation,de la viscosité du combustible liquide et
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du poids spécifique de l'agent de pulvérisation. Du faut du mouvement cir- culaire, provoqué par la pression d'admission, des deux fluides dans l'en- ceinte 7, la prépulvérisation se produit.
La pression dans la chambre 7,se transmettant par l'alésage 43, l'enceinte annulaire 44 et la tubulure 45, est mesurée sur le manomètre M (fig. 14).De la chambre de mélange 7, le mélan- ge parvient alors par les lumières de tuyère 8,8' dans le tube central 3 d'amenée au brûleur Br.
La partie conique 9 et l'élargissement du tube central 10 servent à éviter la zone de fluide mort et à assurer une transformation en brouillard tout à fait profonde de l'huile @ .combustible dans le brûleur représenté aux fig. 3 à 11. L'élargissement 10 se continue dans la paroi du tube 11, qui est entouré par la chambre annulaire 12 parcourue par un courant d'oxygè- ne 02. 1% partie restante du brûleur est agencée selon l'idée fondamentale de l'invention. La partie conique 9 est munie d'un piston 41 mobile au moyen de la vis 42 et du levier de réglage à mainr 46. Grâce à lui, on peut augmen- ter ou diminuer la section des lumières de tuyère 8,8' en fonction des varia- tions voulues de l'augmentation de pression dans la chambre de mélange 7, que l'on peut lire sur le manomètre M.
La part,prévue pour le processus de prépulvérisation,, des pres- sions d'admission dans la chambre 7 lues sur les manomètres Oe et Z, est, comme désiré, transformée en énergie cinétique, Pour permettre d'utiliser sans aucune perte cette part de pression, la chambre 7ia une section déter- minée, dans ce but, par des considérations aérodynamiques: dans le cas pré- sent, elle a une forme de poire. Du fait du réglage de la pression au moyen du déplacement du piston 41 avec sa partie conique 9, les pertes au cours de la prépulvérisation sont alors réduites à un minimum.
En résumé, on a ici les conditions suivantes, en désignant par (Oe) la pression d'huile en amont de la tuyère 6, par (Z) la pression de l'agent de pulvérisation en amont de la tuyère 6'; par (M) la pression dans la chambre de mélange 7 ;
Condition 1: (Oe) (Z) = 1, et ce, indépendamment de la charge du brûleur,chacune de ces pressions étant inférieures à 4 atm. eff.de préfé- rence d'environ 2 atm. eff.
Condition 2 : # p= (Oe) + (Z) - (M) = minimum, de préférence
2 0,5 atm. eff. donc : (M) = maximum (de préférence 1,5 atm. eff. )
Condition 3 'vitesse de sortie VO2 de l'oxygène à l'embouchure du brûleur notablement plus grande que la vitesse de sortie du brouillard d'huile V02 à l'embouchure du brûleur, ainsi) par exemple, le rapport de V02 à VOe supérieur à 3, les vitesses V02 et VOe étant suffisamment grandes pour que la résultante des deux soit inférieure'ou égale à la somme de la vitesse de gazéification et de la vitesse d'inflammation.
Le fonctionnement régulier, sans vacillement de la flamme du brû- leur, est assuré en fixant simplement et expérimentalement la proportion de mélange K optimum de l'air sous pression ( ou de l'agent de pulvérisation) et du combustible selon la formule d2 = 5,2 , dl désignant dans cette dl #K formule le diamètre intérieur de la tuyère 6' pour- l'admission de lagent 'de pulvérisation dans la chambre de mélange 7 et d2 celui de la tuyère 6
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pour l'admission du combustible dans la chambre demélange 7.
Dans cette formule # 0,1 et K varie, selon les essais, entre 100 et 200, quand on prend de l'air comprimé comme agent de pulvérisation, Il est également avan- tageux que la vitesse de sortie de l'agent d'oxydation (air de combustion ou air enrichi, jusqu'à 100%, d'oxygène) soit plus du double de la vitesse de sortie du brouillard de combustible . à la sortie du brûleur,
Etant donné que les conditions de marche-! varient selon l'emploi du brûleur (type et forme du four), on peut effectuer le réglage du brû- leur en fonction des résultats obtenus du mieux possible en cours de marche, et, ce qui est particulièrement important, indépendamment de la charge moyen- ne ou instantanée du brûleur.
Le procédé et le dispositif selon l'invention sont tout particu- @ -lièrement appropriés pour la fabrication de l'acier dans les fours a sole sans chambre.
REVENDICATIONS
1. - Procédé pour la pulvérisation de combustibles liquides, ca- ractérisé en ce qu'aussi bien la pulvérisation elle-même, que le mélange avec l'agent d'oxydation (air, oxygène ou mélange des deux) sont effectués dans des conditions d'écoulement laminaire.