Brûleur cyclonique multi-combustibles <EMI ID=1.1>
et des moyens permettant de le mettre en oeuvre, et elle vise plus spécialement un procédé et un appareil pour brûler des combustibles gazeux et/ou liquides qui ne sont pas considérés comme étant des combustibles utiles, comme par exemple le brai et les composés asphaltiques.
Un procédé et un appareil d'un tel type exigent que l'on prépare spécialement le combustible pour pouvoir le brûler avec un rendement maximal et une pollution minimale.
Les brûleurs destinés à la combustion des combustibles liquides et gazeux sont très nombreux, et chacun d'eux correspond plus spécialement à une application donnée.
De tels brûleurs connus mettent en général en oeuvre des procédés mécaniques de pulvérisation du combustible. Cela nécessite une pression de combustible élevée ainsi que de très petites ouvertures qui, en raison de leurs petites dimensions, se bouchent facilement et, par suite, exigent beaucoup d'entretien, et sont d'un rendement qui va en diminuant.
Jusqu'à présent, les pulvérisateurs du type à émulsion et du type à mélange extérieur étaient utilisés avec tous les combustibles, même dans le cas où les gouttelettes de combustible étaient relativement grosses et, par suite, exigeaient un temps de séjour prolongé pour se vaporiser. Ces pulvérisateurs connus utilisent, comme milieu de pulvérisation, de l'air ou de la vapeur d'eau, sans apport complémentaire de chaleur. Dans certains cas, le milieu de pulvérisation n'apporte aucun avantage complémentaire, et il arrive parfois qu'il absorbe de la chaleur du combustible.
Dans ces installations de la technique antérieure, il faut prévoir un brûleur spécial pour chaque type de combustible utilisé. Cela est peu intéressant, en raison des difficultés engendrées
par la crise de l'énergie. C'est ainsi par exemple que, si un brûleur est conçu pour un combustible donné et si ce combustible vient à manquer, l'appareil ne permet d'utiliser aucun autre combustible et, de plus, provoque de la pollution.
L'invention vise un procédé et un appareil permettant de brûler avec un bon rendement des combustibles de types différents de manière à obtenir un dégagement maximal de chaleur et un minimum de pollution.
De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé
de pulvérisation de combustible, consistant à faire subi-- un <EMI ID=2.1>
imprimer un mouvement tangentiel de grande vitesse à au moins une partie du milieu pour engendrer un tourbillon, à introduire ce milieu à mouvement tourbillonnaire, à une première vitesse et sous une première pression, en amont d'un point d'entrée de combustible, à introduire le combustible dans un diffuseur sous une première pression, à pulvériser ce combustible dans ce diffuseur en provoquant le mélange intime du combustible et du milieu dans la zone du diffuseur située à proximité immédiate du point d'introduction du combustible sous ladite première pression, à faire passer de la chaleur du milieu dans le combustible, et à faire baisser la pression du fluide mélangé, par détente réglée, tout en continuant à soumettre le combustible à l'effet tangentiel et de cisaillement provoqué par l'introduction du tourbillon.
L'invention a également pour objet un dispositif de pulvérisation de combustible destiné à un brûleur et mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, ce dispositif comprenant une conduite reliée à une source de combustible et présentant un point de sortie dans une tête d'atomiseur, des moyens étant prévus pour la communication avec une source du milieu de pulvérisation, sous la forme d'un collecteur situé en amont dudit point de sortie de la conduite de combustible, une cavité tourbillonnaire et un gicleur d'éjection entourant le point de sortie du combustible, un moyen générateur de tourbillon étant intercalé entre ce collecteur et
la cavité tourbillonnaire de manière qu'un mouvement tourbillonnaire à grande vitesse soit imprimé à l'écoulement du milieu de pulvérisation, le tourbillon agissant sur le combustible dans le gicleur et autour de celui-ci, et un moyen servant à assurer la diffusion du combustible pulvérisé en aval du gicleur.
Ce dispositif de pulvérisation de combustible est destiné à être utilisé dans un brûleur comprenant au moins une admission de combustible, une source de gaz destiné à faciliter la combustion, un dispositif servant à assurer un chauffage préalable du combustible avant la combustion, ce dispositif se présentant sous la
forme d'un échangeur de chaleur annulaire délimité par une paroi intérieure et une paroi extérieure intercalées entre un collecteur et un distributeur et communiquant avec ceux-ci, une paroi de cet échangeur de chaleur délimitant un élément de combustion servant
à chauffer un milieu pulvérisateur qui circule dans cet échangeur de chaleur avant son introduction dans le dispositif de pulvérisa- <EMI ID=3.1>
de grande vitesse au milieu de pulvérisation pour le faire réagir longitudinalement et tangentiellement sur un combustible en vue de mélanger intimement, de façon aérodynamique, le milieu de pulvérisation chauffé avec le combustible dans ledit élément de combustion, et pour provoquer dans le combustible un cisaillement moléculaire qui fournit un combustible pulvérisé, sous forme de gouttelettes d'un diamètre de l'ordre du micron.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation, avec des variantes.
Sur ces dessins, la figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'une forme de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en élévation et en coupe représentant le pulvérisateur, suivant une forme de réalisation ; la figure 2A est une coupe d'une variante de réalisation du diffuseur assurant l'impact de l'écoulement et ; la figure 3 est une coupe transversale d'une autre forme de réalisation de la tête de pulvérisation.
<EMI ID=4.1>
nir certains des résultats conformes à l'invention ; on voit sur cette figure une sole 10 de four, à laquelle est fixée une console 12 porte-brûleur portant un brûleur 14 comportant une tète en. céramique, un diffuseur 16 de gaz chaud qui traverse la sole 10, l'ensemble comprenant un échangeur de chaleur 18 délimité par une paroi intérieure 20 et une paroi extérieure 22 entre lesquelles est disposé un matériau de garnissage 24 qui est maintenu par un élément supérieur 26 et un élément inférieur 28, l'élément supérieur de maintien assurant la communication avec un co�lecteur supérieur 30 qui est relié à une réserve de milieu pulvérisateur par l'intermédiaire d'une ouverture 32.
L'élément inférieur de maintien 28 assure la communication avec un distributeur inférieur 34, une ouverture 36 de sortie du milieu pulvérisateur, une conduite 38 et un raccord 40 en T auquel est reliée la conduite 42 qui envoie le milieu pulvérisateur chauffé dans la tête de pulvérisation 44. Cette conduite 42 entoure la conduite
46 de combustible qui communique elle aussi avec la tête de pulvérisation 44. Cette dernière comporte un gicleur 48 et un <EMI ID=5.1>
présentant des ouvertures inclinées 54, est reliée à une réserve
de combustible par l'intermédiaire d'une conduite 56. Il est prévu pour le brûleur une ouverture 58 d'air primaire. Le dispositif primaire d'allumage est représenté en 60 et un tube d'observation
et un détecteur de flamme sont représentés respectivement en 62
et 64.
On peut décrire le fonctionnement de la forme de réalisation représentée sur la figure 1, dans un cas précis pour remplir des conditions bien définies, en supposant que le milieu de pulvérisation est en communication avec l'ouverture 32, que la conduite principale 56 de gaz est reliée à une soupape de commande, et que
la conduite 46 de combustible liquide est reliée à une source de combustible au moyen d'une vanne à commande manuelle. Le dispositif pilote 58 d'allumage et le détecteur de flamme 62 ne font pas à proprement parler partie de l'invention et ne seront pas décrits plus en détail : il suffit de noter que ce dispositif pilote s'allume et que la flamme est détectée par le détecteur relié à
des dispositifs de commande et de sûreté connus dans l'art.
Le milieu de pulvérisation est envoyé sous pression dans l'ouverture, ou lumière; 32. La circulation s'établit, depuis l'ouverture 32, dans le collecteur 30, puis dans le garnissage 24
de l'échangeur de chaleur, dans le distributeur inférieur 34 au
moyen de l'élément de maintien 26, de l'échangeur de chaleur 18
et du support 28 de garnissage. Le milieu de pulvérisation sort
due distributeur 34 par le passage 36 et s'écoule dans le raccord
40 en T par l'intermédiaire de la conduite 38. Le milieu de pulvérisation s'écoule ensuite vers le la tête de pulvérisation
au moyen de la conduite 42. En se dirigeant vers la tête de pulvérisation 44, le milieu de pulvérisation circule autour de la conduite 46. Le milieu de pulvérisation s'écoule par ses passages respectifs dans la tête 44 et établit un vide dans le tube 46 à combustible liquide.
Le milieu de pulvérisation sort par le gicleur 48 et pénètre dans l'élément de combustion par l'intermédiaire de l'agitateur
50. Une fois que le courant de milieu de pulvérisation s'est
établi, la vanne principale de gaz s'ouvre et l'allumage se fait immédiatement au moyen de la flamme pilote, ou veilleuse. Tandis
que la flamme principale chauffe la paroi 20 de l'élément de combustion, la chaleur est transmise au milieu de pulvérisation
JL
.........
<EMI ID=6.1>
Ce garnissage est en un matériau conducteur constitué par des billes ou des éléments de toute autre forme, en céramique ou en métal, susceptibles d'entraîner la chaleur provenant de la paroi de l'élément de combustion et de la faire venir en meilleur contact avec le milieu de pulvérisation en circulation. Cette construction de type nouveau présente l'avantage d'augmenter la transmission
de chaleur résultant de la turbulence engendrée dans cet échangeur de chaleur par l'écoulement non rectiligne du milieu de pulvérisation et par la suppression de la couche laminaire sur la surface chauffée par conduction. La température du milieu de pulvérisation continue de monter jusqu'à ce que soit atteint un équilibre thermique. Une conception convenable de l'appareil détermine la température finale en imposant les surfaces et les vitesses nécessaires, compte tenu du radiateur de chaleur et du récepteur, en tout point ou à tout stade du fonctionnement. On peut injecter de l'eau pour obtenir de la vapeur d'eau servant de milieu de pulvérisation.
Une fois que le milieu de pulvérisation a atteint la température voulue, on introduit, dans la conduite 46, le combustible liquide pré-traité. Le combustible, qui est soumis au vide engendré dans la conduite 46 de combustible par la décharge du milieu de pulvérisation dans la conduite 42 autour de la conduite 46,
reçoit également de la chaleur du milieu de pulvérisation qui l'entoure, par conduction. La baisse de pression provoquée par la décharge du milieu de pulvérisation par l'éjecteur circulaire, fait baisser le point d'ébullition du combustible, ce qui permet aux éléments légers du combustible de s'échapper par ébullition à une température plus basse et'augmente le rendement de la transmission de chaleur. Quand le combustible liquide sort de la conduite
46, il est soumis à la faible pression qui en résulte, puis à l'écoulement tangentiel à vitesse sonique. Cela provoque sur les molécules de combustible un effet de cisaillement, tandis que les différences de pression des ondes de choc sonique inclinées qui
se forment autour de la sortie de la conduite 46 et juste en aval de cette sortie et les directions multiples d'écoulement dans le milieu de pulvérisation à écoulement tangentiel à grande vitesse contribuent à assurer la pulvérisation et le mélange. De plus, le changement de densité quand le combustible lourd est entraîné par la force centrifuge vers l'extérieur de l'écoulement. tangentiel, provoque un cisaillement complémentaire du liquide. L'effet de <EMI ID=7.1>
que à une vitesse subsonique provoque une nouvelle pulvérisation qui fournit des gouttelettes de combustible d'un diamètre de l'ordre du micron, ce qui réduit considérablement le temps de séjour nécessaire pour le passage de l'état liquide à l'état de sapeur.
Une caractéristique nouvelle du procédé de pulvérisation selon l'invention réside dans le sens de l'écoulement tangentiel du milieu de pulvérisation. Le sens normal de tourbillons, au
nord du plan équatorial, est dans le sens inverse du sens de rotation des aiguilles d'une montre, tandis qu'il est dans le
sens de rotation des aiguilles d'une montre au sud de ce plan équatorial. On obtient une meilleure pulvérisation si l'on oblige le tourbillon à prendre le sens de circulation opposé au sens d'écoulement normal. Cela ne veut pas dire que le sens de l'écoulement ne pourrait pas être le même que dans le cas de l'écoulement normal.
Le procédé de pulvérisation de combustible liquide selon l'invention se caractérise également par l'utilisation d'un
milieu de pulvérisation chauffé, par l'augmentation de sa vitesse en raison de son chauffage, et par la possibilité de faire passer cette chaleur dans le combustible.
On notera que l'élément de combustion ne comporte pas le
bloc de combustion habituel. Des essais poussés ont montré qu'un tel bloc n'est pas nécessaire dans cette nouvelle forme de réalisation. Bien entendu, cela ne veut pas dire que l'on ne pourrait
pas utiliser de bloc de céramique dans l'élément de combustion,
si son effet sur la transmission de chaleur peut être toléré. On remarquera que les figures né représentent pas de registre d'excès d'air. Bien que ce registre soit nécessaire dans la plupart des applications, il n'y a pas lieu d'en tenir compte pour décrire le fonctionnement de base du dispositif selon l'invention.
Les ouvertures, ou lumières inclinées de gaz représentées
sur la figure 1 en 54 jouent un rôle majeur. Leur inclinaison a
un effet sur la turbulence engendrée dans l'élément de combustion pour maintenir le front de flamme engendré par le gaz en un point déterminé dans l'élément de combustion. De plus, l'inclinaison de ces ouvertures joue un rôle important sur le mélange d'air et de combustible, et détermine le type de flamme qui pénètre dans le foyer quand il fonctionne avec du gaz seulement. De même, l'énergie cinétique de ces ouvertures multiples aspire de l'air primaire et <EMI ID=8.1>
primaire est aspiré par l'énergie cinétique du combustible pulvérisé. On règle la quantité d'air primaire en modifiant la position du registre 58 qui bouche ou limite l'écoulement d'air par l'ouverture 66.
On peut également prévoir une autre position de l'injection de gaz principal à la partie supérieure de l'ensemble. On peut y parvenir en installant un grand nombre de tubes inclinés en un
<EMI ID=9.1>
à traverser la tête en céramique et à avoir leur entrée sur la surface extérieure de l'enveloppe du brûleur. De nombreux gicleurs de gaz sont branchés sur ces tubes d'aspiration et disposés de manière que l'écoulement de gaz provenant de ces gicleurs pénètre dans les tubes et aspire de l'air. Les nombreux tuyaux alimentant
les gicleurs se terminent dans un collecteur. Il est prévu des vannes pour mettre en marche l'ensemble et le chauffer à l'aide
de la bague à combustible. Lorsque le combustible liquide s'enflamme, le gaz est envoyé au point supérieur d'injection et utilise
la chaleur rayonnante de la flamme d'huile pour maintenir le
milieu de pulvérisation chaud.
Quand on utilise cette forme de réalisation sans la tête de pulvérisation, il faut, par des vannes appropriées, envoyer le
gaz principal dans l'échangeur de chaleur. Il faut prendre bien
soin de s'assurer que la température n'atteint pas la température
de craquage du combustible utilisé.
De même, on peut envoyer dans l'échangeur de chaleur du gaz
de pétrole liquéfié pour que cet échangeur vaporise ce gaz de
pétrole liquéfié. On a utilisé, avec d'excellents résultats, le propane et le butane liquides.
La figure 2 représente une forme de réalisation de tête de pulvérisation : sur cette figure la référence 46 désigne la <EMI ID=10.1>
<EMI ID=11.1>
pulvérisation, la référence 48 désigne le gicleur de sortie, la référence 68 désigne le collecteur de milieu de pulvérisation ;
70 désigne l'anneau du gicleur d'impact ; 72 désigne les ouvertures multiples d'impact ; la référence 74 désigne le diffuseur, 76 le combustible pulvérisé, 78 l'étranglement du gicleur circulaire,
80 désigne la zone primaire de pulvérisation sous faible pression et de attente, 82 désigne la fente qui fournit un tourbillon
�
<EMI ID=12.1>
<EMI ID=13.1>
une plaque engen drant le tourbillon et la référence 46A désigne une autre position possible de la conduite de combustible.
Le fonctionnement est le suivant :
le milieu de pulvérisation s'écoule dans la conduite 42 et le combustible descend dans la conduite 46. Ce procédé assure un
<EMI ID=14.1>
<EMI ID=15.1>
et l'écoulement se divise en plusieurs branches, suivant un rapport de surfaces adapté à la tête de pulvérisation utilisée.
<EMI ID=16.1>
que avec les gicleurs d'impact 72. Ces gicleurs 72 se terminent
<EMI ID=17.1>
bien que déformé par la sortie inclinée, constitue un point d'impact dans le diffuseur. Une autre branche de l'écoulement du i milieu de pulvérisation passe par la fente "tangentielle" 82 située dans la plaque 84 à tourbillons. Au moment où le milieu de ;
<EMI ID=18.1>
dans la cavité 86, un tourbillon ou écoulement tangentiel de sens opposé au sens normal des tourbillons. A mesure que la section de transition 88 de la cavité 86 à tourbillons diminue, la vitesse tourbillonnaire augmente jusqu'à ce qu'on atteigne un rapport critique de pressions. A ce stade, la vitesse d'écoulement est une vitesse sonique. Quand le milieu de pulvérisation tournant quitte le gicleur 78 constitué par le tube 46 et la tête 44, des ondes de choc soniques se forment tandis que le milieu de pulvérisation comprimé tend à descendre à des vitesses subsoniques. Ces ondes de choc sont circulaires et obliques par rapport à l'écoulement tangentiel. De plus, au centre de ce tourbillon, la pression est inférieure à la pression atmosphérique.
De même, le fait de placer le tube 46 de combustible au centre de l'ouverture de la tête 44 pour former un gicleur annulaire 90 provoque une éjection circulaire. La combinaison de ces conditions fournit une zone primaire idéale 80 de faible pression dans laquelle le combustible liquide se dépose. Cela fait baisser le point d'ébullition du combustible, en fonction de la tension de vapeur des éléments constitutifs du combustible utilisé. Dans cette zone primaire 80, le combustible liquide est soumis à des conditions soniques et à
<EMI ID=19.1>
les molécules de combustible, tandis que les variations de densité <EMI ID=20.1>
<EMI ID=21.1>
<EMI ID=22.1>
<EMI ID=23.1>
continuent de provoquer le cisaillement des molécules. Tandis que
<EMI ID=24.1>
à transformer une partie de la pression totale en pression stati-
que, le combustible pulvérisé est envoyé à force à une vitesse sonique par les multiples écoulements des gicleurs inclinés 72, dans le corps 74 du diffuseur. Toute rotation se trouve alors immédiatement arrêtée, et le mélange se trouve de nouveau soumis ; à l'effet brutal des jets à vitesse sonique. Au moment où le combustible pulvérisé sort de la tête de pulvérisation par le
gicleur 48, les gouttelettes de combustible ont un diamètre de l'ordre du micron et passent rapidement de l'état liquide à
l'état de vapeur, de façon à brûler -immédiatement sans difficulté.
La figure 2A représente une variante de la figure 2. Cette figure 2A représente une variante de diffuseur qui modifie l'écoulement d'impact ; dans cette variante de réalisation, la zone d'impact est plus grande, la pression statique est plus élevée et la vitesse est supérieure aux vitesses soniques. Les éléments identiques à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes
numéros de référence ; 46 désigne le tube de combustible, 244 la
tête de pulvérisation, 248 la sortie du diffuseur, 270 l'anneau d'admission du gicleur d'impact, 76 le combustible pulvérisé, 78 l'étranglement de gicleur de la cavité tourbillonnaire 86, 292 l'étranglement d'admission du gicleur d'impact et 272 la section diffuseur du gicleur d'impact. Le fonctionnement du pulvérisateur
est identique à celui de la forme de réalisation précédente avec toutefois cette différence que la détente de l'écoulement à
vitesse sonique, en aval de l'étranglement 292 dans la section diffuseur 272 est réglée de manière telle que la pression dynamique
se transforme en pression statique et que la vitesse devient supérieure aux vitesses soniques. Bien que l'écoulement subisse
une déviation sous l'effet de l'inclinaison de la sortie, le rendement de la pulvérisation est amélioré.
La tête de pulvérisation représentée sur la figure 3 est identique aux précédentes, avec toutefois cette différence qu'elle
ne comporte pas de gicleurs d'impact ni de diffuseur.
Comme représenté sur les figures, la référence 46A désigne
un autre moyen pour introduire le combustible dans la tête de <EMI ID=25.1>
L'agitateur 50 n'est représenté sur aucune des têtes de pulvérisation des figures 2, 2A et 3. Cet agitateur est nécessaire mais il ne constitue pas une caractéristique de l'invention et ne sera pas décrit de façon plus détaillée.
Les formes de réalisation décrites ont fourni d'excellents résultats avec les combustibles suivants, en utilisant de l'air
et de la vapeur d'eau comme milieu de pulvérisation. Ces combustibles sont l'huile de naphte, le kérosène, l'huile de noir de charbon, le pétrole brut "40[deg.] API", "24[deg.] API" ou "19[deg.] API", le "Bunker C" et l'asphalte "Ten Pen". La quantité d'air ou de
vapeur d'eau par kilogramme de combustible exigée par l'invention est inférieure à la quantité normalement utilisée dans les dispositifs connus, et les températures de chauffage préalable du combustible sont plus basses.
D'après les résultats obtenus au cours des essais d'allumage statique, on a constaté les avantages suivants par rapport au dispositif connu : moindre pollution, plus grande stabilité, et possibilité d'utiliser avantageusement les combustibles qui jusqu'à présent étaient considérés comme inutilisables.
L'aptitude du pulvérisateur à donner des gouttelettes d'un diamètre de l'ordre du micron le rend très utile dans les applications oü l'on utilise des combustibles qui juqu'à présent exigeaient la température de l'air ambiant. Toutefois, le procédé de pulvérisation décrit exige moins de milieu pulvérisateur par kilogramme de combustible, une pression plus faible du combustible, et il assure un meilleur rendement de la combustion avec pour conséquence, un plus grand dégagement de chaleur. Dans certaines applications, le pulvérisateur pompe le combustible à l'aide de l'éjecteur circulaire. Les essais effectués montrent que l'on
peut obtenir une émulsion avec la vapeur d'eau et l'huile combustible, simplement sous l'effet de l'énergie sonique contenue dans
le pulvérisateur. On peut injecter une quantité donnée d'eau dans
<EMI ID=26.1>
D'autres études fournissent une application à la pulvérisation d'une boue de poussière de charbon. On peut facilement modifier
la pulvérisation en vue d'une injection d'oxygène pour la poussière de charbon ou d'autres applications.
Dans certaines applications bien définies, on fait circuler
<EMI ID=27.1>
(�
<EMI ID=28.1>
<EMI ID=29.1>
tible.
L'un des principaux objets de l'invention est de fournir un échangeur de chaleur servant à surchauffer le milieu de pulvérisation au moyen de la chaleur normalement perdue par rayonnement de
la paroi de l'élément de combustion, et à assurer un refroidisse- ment convenable de l'élément de combustion et, en même temps, introduire la chaleur absorbée dans le combustible de la tête de pulvérisation, de manière que la pulvérisation de ce combustible soit nettement améliorée.
Le dispositif décrit est un brûleur à combustible liquide,
mais, dans le cadre de l'invention, le dispositif peut être
utilisé comme brûleur à combustible gazeux, brûleur à combustible j liquide, ou brûleur mixte à combustibles gazeux et liquide.
Divers essais ont été effectués en utilisant le propane, le
butane ou le gaz naturel comme combustible gazeux. On a obtenu d'excellents résultats en utilisant l'huile de naphte, le kérosène, le pétrole brut 40[deg.] API, le "Bunker C" et l'asphalte "Ten Pen". Suivant la forme de réalisation préférée, l'air de combustion est aspiré dans le combustible grâce à l'énergie cinétique du combusti- ! ble gazeux ou l'énergie cinétique du combustible pulvérisé. Toutefois de l'air comprimé peut être envoyé dans le combustible ou autour du combustible, comme air secondaire. L'application prévue pour ce dispositif est de servir de source de chaleur dans le cas de foyers où l'on dispose d'un tirage d'air qui facilite l'alimentation en air de combustion. Mais bien entendu cela ne
veut pas dire que le dispositif décrit ne peut pas avoir d'autres applications.
Dans un essai, on utilise de la vapeur d'eau saturée sous
une pression de 70 kg (185[deg.]C) à raison de 58 kg à l'heure, pour
un débit d'asphalte "Ten Pen" de 300 kg à l'heure à la température d'environ 200[deg.]C. L'échangeuc de chaleur surchauffe la vapeur
d'eau jusqu'à 430[deg.]C, soit une élévation de température de 245[deg.]C.
La flamme obtenue avec cet asphalte est très efficace et sans
fumée. On a effectué d'autres essais sous des pressions de vapeur d'eau plus faibles et des pressions d'air plus faibles, avec des résultats identiques.
<EMI ID=30.1>
1. Procédé de pulvérisation d'un combustible augmentant le , rendement de la combustion, caractérisé par le fait qu'il consiste
à faire subir un chauffage préalable à une milieu de pulvérisation
de fluide, à imprimer un mouvement tangentiel de grande vitesse à
au moins une partie du milieu pour engendrer un tourbillon, à
introduire ce milieu à mouvement tourbillonnaire, à une première
vitesse et sous une première pression, en amont d'un point d'entrée
de combustible, à introduire le combustible dans un diffuseur
sous une première pression, à pulvériser ce combustible dans ce diffuseur en provoquant le mélange intime du combustible et du
milieu dans la zone du diffuseur située à proximité immédiate du
point d'introduction du combustible sous ladite première pression,
à faire passer de la chaleur du milieu dans le combustible, et à
réduire la pression du fluide mélangé, par détente réglée, tout
<EMI ID=31.1>
de cisaillement provoqué par l'introduction du tourbillon.
Multi-fuel cyclonic burner <EMI ID = 1.1>
and means making it possible to implement it, and it relates more especially to a method and an apparatus for burning gaseous and / or liquid fuels which are not considered to be useful fuels, such as for example pitch and asphaltic compounds.
Such a method and apparatus requires special preparation of the fuel so that it can be burnt with maximum efficiency and minimum pollution.
There are a large number of burners intended for the combustion of liquid and gaseous fuels, and each of them corresponds more specifically to a given application.
Such known burners generally use mechanical fuel atomization processes. This requires a high fuel pressure as well as very small openings which, due to their small dimensions, become easily blocked and therefore require a lot of maintenance, and are of diminishing efficiency.
Heretofore, emulsion type and surface mix type sprayers have been used with all fuels, even in the case where the fuel droplets were relatively large and hence required an extended residence time to vaporize. . These known sprayers use, as spray medium, air or water vapor, without additional heat input. In some cases, the spray medium does not provide any additional benefit, and sometimes it will absorb heat from the fuel.
In these prior art installations, a special burner must be provided for each type of fuel used. This is not very interesting, because of the difficulties generated
by the energy crisis. Thus, for example, if a burner is designed for a given fuel and if this fuel runs out, the device does not allow the use of any other fuel and, moreover, causes pollution.
The invention relates to a method and an apparatus making it possible to burn with good efficiency fuels of different types so as to obtain maximum heat release and minimum pollution.
More precisely, the invention relates to a process
spraying of fuel, consisting of undergoing - an <EMI ID = 2.1>
print a tangential movement of high speed to at least part of the medium to generate a vortex, to introduce this medium with vortex movement, at a first speed and under a first pressure, upstream of a fuel entry point, to introduce the fuel into a diffuser under a first pressure, to spray this fuel in this diffuser by causing the intimate mixture of the fuel and the medium in the zone of the diffuser located in the immediate vicinity of the point of introduction of the fuel under said first pressure, to passing heat from the medium into the fuel, and lowering the pressure of the mixed fluid, by regulated expansion, while continuing to subject the fuel to the tangential and shear effect caused by the introduction of the vortex.
The subject of the invention is also a device for spraying fuel intended for a burner and implementing the method described above, this device comprising a pipe connected to a fuel source and having an outlet point in a fuel head. atomizer, means being provided for communication with a source of the atomizing medium, in the form of a manifold located upstream of said point of exit from the fuel line, a vortex cavity and an ejection nozzle surrounding the point of outlet of the fuel, a vortex generator means being interposed between this collector and
the vortex cavity such that a high speed vortex movement is imparted to the flow of the spray medium, the vortex acting on the fuel in and around the nozzle, and a means for diffusing the fuel sprayed downstream of the nozzle.
This fuel spraying device is intended for use in a burner comprising at least one fuel inlet, a gas source intended to facilitate combustion, a device serving to ensure a preliminary heating of the fuel before combustion, this device being presented under the
form of an annular heat exchanger delimited by an inner wall and an outer wall interposed between a manifold and a distributor and communicating with them, one wall of this heat exchanger delimiting a combustion element serving
heating a spray medium which circulates in this heat exchanger before it is introduced into the spray device - <EMI ID = 3.1>
of high velocity to the spray medium to cause it to react longitudinally and tangentially on a fuel for the purpose of aerodynamically intimately mixing the heated spray medium with the fuel in said combustion element, and for causing molecular shear in the fuel which provides a pulverized fuel in the form of droplets with a diameter of the order of a micron.
Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which will follow, given with reference to the appended drawings and giving, by way of explanation but in no way limiting, an embodiment, with variants.
In these drawings, Figure 1 is an elevational view in section of one embodiment of the invention; FIG. 2 is an elevational view in section showing the sprayer, according to one embodiment; FIG. 2A is a section of an alternative embodiment of the diffuser ensuring the impact of the flow and; Figure 3 is a cross section of another embodiment of the spray head.
<EMI ID = 4.1>
end some of the results according to the invention; this figure shows a hearth 10 of the furnace, to which is fixed a burner holder bracket 12 carrying a burner 14 comprising a head. ceramic, a hot gas diffuser 16 which passes through the sole 10, the assembly comprising a heat exchanger 18 delimited by an inner wall 20 and an outer wall 22 between which is disposed a packing material 24 which is held by an upper element 26 and a lower element 28, the upper retaining element ensuring communication with an upper co-reader 30 which is connected to a reserve of spraying medium via an opening 32.
The lower retaining element 28 provides communication with a lower distributor 34, an outlet opening 36 for the spray medium, a pipe 38 and a T-fitting 40 to which is connected the pipe 42 which sends the heated spray medium into the head of spray 44. This pipe 42 surrounds the pipe
46 fuel which also communicates with the spray head 44. The latter comprises a nozzle 48 and an <EMI ID = 5.1>
having inclined openings 54, is connected to a reserve
of fuel via a pipe 56. A primary air opening 58 is provided for the burner. The primary ignition device is shown at 60 and an observation tube
and a flame detector are shown respectively at 62
and 64.
The operation of the embodiment shown in Figure 1 can be described in a specific case to meet well-defined conditions, assuming that the spray medium is in communication with opening 32, that main gas line 56 is connected to a control valve, and
the liquid fuel line 46 is connected to a fuel source by means of a manually operated valve. The pilot ignition device 58 and the flame detector 62 are not strictly speaking part of the invention and will not be described in more detail: it suffices to note that this pilot device ignites and that the flame is detected. by the detector connected to
control and safety devices known in the art.
The spray medium is sent under pressure into the opening, or lumen; 32. The circulation is established, from the opening 32, in the collector 30, then in the packing 24
of the heat exchanger, in the lower distributor 34 at the
means of the retaining element 26, of the heat exchanger 18
and the packing support 28. Spray medium comes out
due distributor 34 through passage 36 and flows into the fitting
40 in a T through line 38. The spray medium then flows to the spray head
by means of line 42. As it moves towards spray head 44, the spray medium circulates around line 46. The spray medium flows through its respective passages in head 44 and establishes a vacuum in the tube. 46 liquid fuel.
The atomizing medium exits through nozzle 48 and enters the combustion element via the agitator
50. After the stream of spray medium has
established, the main gas valve opens and ignition occurs immediately by means of the pilot flame, or pilot flame. While
as the main flame heats the wall 20 of the combustion element, the heat is transmitted to the spray medium
JL
.........
<EMI ID = 6.1>
This lining is made of a conductive material consisting of balls or elements of any other shape, ceramic or metal, capable of entraining the heat coming from the wall of the combustion element and of bringing it into better contact with it. the circulating spray medium. This new type construction has the advantage of increasing the transmission
of heat resulting from the turbulence generated in this heat exchanger by the non-rectilinear flow of the spray medium and by the removal of the laminar layer on the heated surface by conduction. The temperature of the spray medium continues to rise until a thermal equilibrium is reached. Proper design of the apparatus determines the final temperature by imposing the necessary surfaces and speeds, taking into account the heat radiator and the receiver, at any point or at any stage of operation. Water can be injected to obtain water vapor as the spray medium.
Once the spray medium has reached the desired temperature, the pre-treated liquid fuel is introduced into line 46. The fuel, which is subjected to the vacuum generated in the fuel line 46 by the discharge of the spray medium in the line 42 around the line 46,
also receives heat from the surrounding spray medium by conduction. The drop in pressure caused by the discharge of the spray medium from the circular ejector, lowers the boiling point of the fuel, which allows the light elements of the fuel to boil out at a lower temperature and increase the efficiency of heat transmission. When liquid fuel comes out of the pipeline
46, it is subjected to the resulting low pressure and then to tangential flow at sonic speed. This causes a shearing effect on the fuel molecules, while the pressure differences of the inclined sonic shock waves which
form around and just downstream of the outlet of line 46 and the multiple directions of flow in the high velocity tangential flow spray medium help to ensure spraying and mixing. In addition, the change in density as the heavy fuel is driven by centrifugal force out of the flow. tangential, causes additional shear of the liquid. The effect of <EMI ID = 7.1>
that at a subsonic speed causes a new atomization which provides fuel droplets with a diameter of the order of a micron, which considerably reduces the residence time required for the transition from the liquid state to the sapper state.
A novel feature of the spraying process according to the invention resides in the direction of the tangential flow of the spray medium. The normal direction of vortices, at
north of the equatorial plane, is counterclockwise, while it is in the
clockwise rotation south of this equatorial plane. Better spraying is obtained if the vortex is forced to take the direction of flow opposite to the normal direction of flow. This does not mean that the direction of flow could not be the same as in the case of normal flow.
The method for spraying liquid fuel according to the invention is also characterized by the use of a
heated spray medium, by increasing its speed due to its heating, and by the possibility of passing this heat into the fuel.
Note that the combustion element does not include the
usual combustion block. Extensive tests have shown that such a block is not necessary in this new embodiment. Of course, this does not mean that we could not
do not use a ceramic block in the combustion element,
whether its effect on heat transfer can be tolerated. It will be noted that the figures ne represent no register of excess air. Although this register is necessary in most applications, there is no need to take it into account when describing the basic operation of the device according to the invention.
The openings, or inclined gas lights shown
in Figure 1 at 54 play a major role. Their inclination has
an effect on the turbulence generated in the combustion element to maintain the flame front generated by the gas at a determined point in the combustion element. In addition, the inclination of these openings plays an important role on the mixture of air and fuel, and determines the type of flame that enters the fireplace when it is operated with gas only. Likewise, the kinetic energy of these multiple openings sucks in primary air and <EMI ID = 8.1>
primary is sucked by the kinetic energy of the pulverized fuel. The quantity of primary air is adjusted by modifying the position of the register 58 which blocks or limits the flow of air through the opening 66.
It is also possible to provide another position for the main gas injection at the upper part of the assembly. This can be achieved by installing a large number of inclined tubes in one
<EMI ID = 9.1>
through the ceramic head and have their entry on the outer surface of the burner casing. Many gas nozzles are connected to these suction tubes and arranged so that the gas flow from these nozzles enters the tubes and draws air. The many pipes supplying
the sprinklers end in a collector. Valves are provided to start the assembly and heat it using
of the fuel ring. When the liquid fuel ignites, the gas is sent to the upper injection point and uses
the radiant heat of the oil flame to maintain the
hot spray medium.
When this embodiment is used without the spray head, it is necessary, through suitable valves, to send the
main gas in the heat exchanger. We must take well
care to ensure that the temperature does not reach the temperature
cracking of the fuel used.
Likewise, gas can be sent to the heat exchanger
of liquefied petroleum so that this exchanger vaporizes this
liquefied petroleum. Liquid propane and butane have been used with excellent results.
FIG. 2 represents an embodiment of a spray head: in this figure, reference 46 designates <EMI ID = 10.1>
<EMI ID = 11.1>
spraying, the reference 48 designates the outlet nozzle, the reference 68 designates the spray medium collector;
70 designates the ring of the impact jet; 72 designates multiple impact openings; the reference 74 designates the diffuser, 76 the atomized fuel, 78 the throttle of the circular nozzle,
80 designates the primary low pressure spray and hold zone, 82 designates the slit which provides a vortex
�
<EMI ID = 12.1>
<EMI ID = 13.1>
a plate generating the vortex and the reference 46A designates another possible position of the fuel pipe.
The operation is as follows:
the spray medium flows through line 42 and fuel descends into line 46. This method provides
<EMI ID = 14.1>
<EMI ID = 15.1>
and the flow divides into several branches, in an area ratio suited to the spray head used.
<EMI ID = 16.1>
than with the impact jets 72. These jets 72 end
<EMI ID = 17.1>
although deformed by the inclined outlet, constitutes an impact point in the diffuser. Another branch of the spray medium flow passes through the "tangential" slot 82 in the vortex plate 84. By the time the middle of;
<EMI ID = 18.1>
in the cavity 86, a vortex or tangential flow of direction opposite to the normal direction of the vortices. As the transition section 88 of the vortex cavity 86 decreases, the vortex velocity increases until a critical pressure ratio is reached. At this point, the flow velocity is sonic velocity. As the rotating spray medium leaves nozzle 78 formed by tube 46 and head 44, sonic shock waves are formed as the compressed spray medium tends to descend at subsonic speeds. These shock waves are circular and oblique to the tangential flow. In addition, at the center of this vortex, the pressure is lower than atmospheric pressure.
Likewise, placing the fuel tube 46 at the center of the opening of the head 44 to form an annular nozzle 90 causes circular ejection. The combination of these conditions provides an ideal primary zone 80 of low pressure in which the liquid fuel is deposited. This lowers the boiling point of the fuel, depending on the vapor pressure of the building blocks of the fuel used. In this primary zone 80, the liquid fuel is subjected to sonic conditions and to
<EMI ID = 19.1>
fuel molecules, while density variations <EMI ID = 20.1>
<EMI ID = 21.1>
<EMI ID = 22.1>
<EMI ID = 23.1>
continue to cause the molecules to shear. While
<EMI ID = 24.1>
to transform part of the total pressure into static pressure
that, the pulverized fuel is forcefully sent at sonic speed by the multiple flows of the inclined nozzles 72, into the body 74 of the diffuser. All rotation is then immediately stopped, and the mixture is again subjected; to the brutal effect of jets at sonic speed. As the atomized fuel exits the atomizer head through the
nozzle 48, the fuel droplets have a diameter of the order of a micron and pass rapidly from the liquid state to
the vapor state, so as to immediately burn without difficulty.
Figure 2A shows a variant of Figure 2. This Figure 2A shows a variant of the diffuser which modifies the impact flow; in this variant embodiment, the impact zone is larger, the static pressure is higher and the speed is greater than the sonic speeds. Elements identical to those in Figure 2 are designated by the same
reference numbers; 46 designates the fuel tube, 244 the
spray head, 248 the diffuser outlet, 270 the impact nozzle inlet ring, 76 the atomized fuel, 78 the swirl cavity nozzle throttle 86, 292 the nozzle inlet throttle d impact and 272 the diffuser section of the impact nozzle. Operation of the sprayer
is identical to that of the previous embodiment with, however, the difference that the expansion of the flow at
sonic velocity, downstream of the constriction 292 in the diffuser section 272 is adjusted such that the dynamic pressure
turns into static pressure and the velocity becomes greater than sonic velocities. Although the flow undergoes
deflection under the effect of the inclination of the outlet, the spraying efficiency is improved.
The spray head shown in Figure 3 is identical to the previous ones, with however the difference that it
does not include impact jets or diffuser.
As shown in the figures, the reference 46A designates
another way to introduce fuel into the head of <EMI ID = 25.1>
The agitator 50 is not shown on any of the spray heads of Figures 2, 2A and 3. This agitator is necessary but it does not constitute a feature of the invention and will not be described in more detail.
The embodiments described have provided excellent results with the following fuels, using air
and water vapor as the spray medium. These fuels are naphtha oil, kerosene, carbon black oil, crude oil "40 [deg.] API", "24 [deg.] API" or "19 [deg.] API", the "Bunker C" and the asphalt "Ten Pen". The amount of air or
water vapor per kilogram of fuel required by the invention is less than the amount normally used in known devices, and the fuel preheating temperatures are lower.
From the results obtained during the static ignition tests, the following advantages were observed over the known device: less pollution, greater stability, and the possibility of advantageously using the fuels which until now were considered as unusable.
The sprayer's ability to produce droplets of the order of one micron in diameter makes it very useful in applications where fuels are used which heretofore have required the temperature of the ambient air. However, the described spraying process requires less spray medium per kilogram of fuel, lower fuel pressure, and it provides better combustion efficiency resulting in greater heat release. In some applications, the sprayer pumps fuel using the circular ejector. The tests carried out show that we
can obtain an emulsion with water vapor and fuel oil, simply under the effect of the sonic energy contained in
the sprayer. A given amount of water can be injected into
<EMI ID = 26.1>
Other studies provide an application to the spraying of a coal dust slurry. We can easily modify
spraying for oxygen injection for coal dust or other applications.
In certain well-defined applications, we circulate
<EMI ID = 27.1>
(�
<EMI ID = 28.1>
<EMI ID = 29.1>
tible.
One of the main objects of the invention is to provide a heat exchanger for superheating the spray medium by means of the heat normally lost by radiation from
the wall of the combustion element, and to ensure a suitable cooling of the combustion element and, at the same time, to introduce the absorbed heat into the fuel of the spray head, so that the spraying of this fuel is significantly improved.
The device described is a liquid fuel burner,
but, in the context of the invention, the device can be
used as a gas fuel burner, a liquid fuel burner, or a mixed gas and liquid fuel burner.
Various tests have been carried out using propane,
butane or natural gas as a gaseous fuel. Excellent results have been obtained using naphtha oil, kerosene, API 40 [deg.] Crude oil, "Bunker C" and "Ten Pen" asphalt. In the preferred embodiment, the combustion air is drawn into the fuel by virtue of the kinetic energy of the fuel. gaseous ble or the kinetic energy of the pulverized fuel. However, compressed air can be blown into the fuel or around the fuel as secondary air. The intended application for this device is to serve as a heat source in the case of fireplaces where there is an air draft which facilitates the supply of combustion air. But of course that doesn't
does not mean that the device described cannot have other applications.
In a test, saturated water vapor is used under
a pressure of 70 kg (185 [deg.] C) at a rate of 58 kg per hour, for
a "Ten Pen" asphalt flow rate of 300 kg per hour at a temperature of about 200 [deg.] C. The heat exchanger overheats the steam
of water up to 430 [deg.] C, ie a temperature rise of 245 [deg.] C.
The flame obtained with this asphalt is very efficient and without
smoke. Further tests were carried out at lower water vapor pressures and lower air pressures, with identical results.
<EMI ID = 30.1>
1. A method of atomizing a fuel increasing the efficiency of combustion, characterized in that it consists
preheating a spray medium
fluid, to print a tangential movement of high speed at
at least part of the middle to generate a vortex, to
introduce this medium with vortex movement, at a first
speed and under a first pressure, upstream of an entry point
of fuel, to introduce the fuel into a diffuser
under a first pressure, to spray this fuel in this diffuser, causing the intimate mixture of the fuel and the
medium in the area of the diffuser located in the immediate vicinity of the
point of introduction of fuel under said first pressure,
to pass heat from the medium into the fuel, and to
reduce the pressure of the mixed fluid, by regulated expansion, while
<EMI ID = 31.1>
of shear caused by the introduction of the vortex.