<EMI ID=1.1>
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la combustion de combustibles liquides, gazeux ou en forme de poudre, et plus particulièrement pour la combustion de ces combustibles à une pression relativement basse aussi bien pour le combustible que pour l'air de combustion.
<EMI ID=2.1>
<EMI ID=3.1>
<EMI ID=4.1>
de cette manière des problèmes qui existent dans les procédés et appareils déjà connus, par exemple une combustion imparfaite, une teneur élevée en oxyde de carbone, une formation de coke à teneur élevée en oxyde de carbone dans la tête du brûleur, etc, surchauffe de diverses parties du brûleur, etc. Le procédé et l'appareil selon l'invention peuvent être utilisés dans de nombreux domaines techniques différents et pour de nombreux buts différents, par exemple
en connexion avec des brûleurs pour cheminées, pour machines à vapeur, turbines à vapeur, turbines à gaz, moteurs à air chaud, moteurs à gaz chaud, etc.
On connait déjà des brûleurs comprenant une tête de brûleur à travers laquelle un combustible liquide est forcé sous pression élevée, de telle manière que le combustible soit atomisé lorsqu'il quitte la tête du brûleur, ou dans lesquels le combustible est forcé de passer à travers la dite tête de brûleur par de l'air sous une pression élevée, et de cette manière le liquide est également atomisé lorsqu'il quitte la dite tête de brûleur. De tels brûleurs présentent divers inconvénients.
Ils présentent des limites relativement étroites de réglage, l'angle divergent pour le combustible atomisé est modifié selon la pression et selon la vitesse du combustible éjecté; le risque existe d'une formation de coke qui obstrue la tête du brûleur, celui-ci exige une pompe à haute pression pour le combustible ou pour l'air d'injection, la flamme de la combustion est souvent longue, et la chaleur est concentrée dans la flamme dans une région située à une certaine distance de la tête du brûleur, des problèmes difficiles se posent <EMI ID=5.1>
<EMI ID=6.1>
manière relativement rapide, la combustion est relativement inégale et incomplète en laissant une teneur élevée d'oxyde de carbone et d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement, le brûleur possède une capacité relativement basse et doit par conséquen� présenter des dimensions relativement grandes .
Il a été proposé de prévoir un brûleur ayant un diffuseur rotatif à la place de la tête de compression mentiinnée ci-dessus ;
de tels diffuseurs rotatifs peuvent présenter la forme d'un disque rotatif présentant un grand nombre de�etites perforations tout autour de sa périphérie à travers lesquelles le combustible est projeté au dehors par la force centrifuge. De tels brûleurs peuvent donner une meilleure combustion que les appareils mentionnés ci-dessus qui présentent des têtes de brûleur sous pression, et leur avantage principal sera qu'on ne doit pas prévoir dans l'installation une pompe à haute pression pour le combustible ou pour l'air de bombustion. L'appareil présente cependant d'autres inconvénients : dans ce brûleur le risque existe d'une formation
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situés à la périphérie du disque du brûleur; on doit avoir un moteur tournant à vitesse très élevée pour rejeter le combustible, ce moteur nécessitant une précision très élevée dans sa fabrication aussi bien en ce qui concerne les parties électriques que les parties mécaniques, plus spécialement pour le^ supports et pour les dispositifs de montage, etc, et selon les tolérances très petites un tel moteur sera relativement coûteux. Comme dans les brûleurs mentionnés ci-dessus ayant des têtes de brûleur sous
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pression, l'atomisation du combustible se fait également par petites
<EMI ID=9.1> manière relativement fine ou avec des têtes de brûleur rotatives, l'atomisation du combustible donne des gouttelettes relativement grandes, lesquelles en général ne permettent pas d'obtenir une combustion optimale. Egalement, dans les diffuseurs rotatifs le
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rapport au diffuseur et par conséquent le brûleur pour de tels diffuseurs doit présenter des dimensions relativement grandes.
Aussi bien les brûleurs présentant des têtes sous pression que les brûleurs présentant des diffuseurs rotatifs, présentent des inconvénients par cela qu'ils exigent des combustibles liquides, généralement relativement-légers., et en général ils ne rendent pas possible la combustion de combustibles lourds, de mélanges de combustibles lourds et légers, et de combustibles solides sous forme de poudre.
L'un des objets dé la présente invention est de former
le brûleur avec une capacité quasi élevée que possible et qui présent en même temps des dimensions aussi petites que possible sans présenter le risque d'un mauvais fonctionnement, par exemple
<EMI ID=11.1>
<EMI ID=12.1>
<EMI ID=13.1>
cet mélangé avec l'air de combustion dans la chambre de combustion et dans lequel moins un" partie de- la tête brûleur se pro-
<EMI ID=14.1> combustible et une meilleure combustion. Selon un mode particulier de réalisation d'un tel brûleur, le tube du brûleur est replié à
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de cette manière le combustible sera mécaniquement décompose lorsqu'il sera soumis à la friction pendant son écoulement, contre les parois du tube du brûleur et il frappera les parois de ce brûleur le long
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la température élevée. A cause de la dite évaporation, le tube du brûleur est en général dénommé "tube évaporateur". Des brûleurs ayant un tube évaporateur présentent plusieurs avantages par rapport au brûleur déjà connu; par exemple ils peuvent agir à pression basse aussi bien du combustible que de l'air de combustion, il n'y a pratiquement pas de combustion du tube ou de formation de coke
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différents de combustibles liquides ou en forme de poudre, ou pour des mélanges de tels combustibles, ils possèdent une capacité appré-
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d'azote que les brûleurs mentionnés ci-'dessus, déjà connus.
<EMI ID=19.1> <EMI ID=20.1> <EMI ID=21.1>
capacité élevée au brûleur et des élevées de travail .
<EMI ID=22.1> Afin de résoudre le problème de surchauffe, il a été proposé de refroidir les parois de la chambre de combustion en introduisant une partie de l'air de combustion radialement vers l'intérieur à travers les parois de la chambre de combustion, mais une telle méthode réduit la capacité du brûleur et la combustion sera moins parfaite. Il a été également proposé de prévoir plusieurs petits tubes d1 évaporât ion à un certain rayon du centre de la chambre
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ce cas également un refroidissement est nécessaire par l'introduction d'une certaine quantité de l'air à travers les parois de la chambre de combustion, et de plus l'appareil sera relativement coûteux.
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formé avec un arc en U à bords aigus, et une partie de l'air de combustion est employée aussi bien pour refroidir le tube évaporateur que pour améliorer la décomposition du combustible pendant son écoulement à travers le combustible évaporateur, et l'air de combustion est introduit substantiellement en direction axiale à contre..courant par rapport à la direction du combustible injecté. avec
Former l'arc en U/des bords aigus présente des avantages en cela
que le combustible, par le changement brusque de la direction d'écoulement, subit un effort mécanique qui facilite et accélère la décomposition du combustible, et le- combustible reçoit également
<EMI ID=25.1>
et de combustible et en même temps la température est répartie uniformément dans le combustible et le combustible dans l'évaporateur est quelque peu refroidi. En introduisant déjà une partie de l'air
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<EMI ID=27.1>
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substantiellement améliorée du combustible en petites gouttelettes et qu'une combustion substantiellement plus uniforme est obtenue
<EMI ID=29.1>
dans les gaz de combustion. En même temps, l'air froid qui est mélangé avec le combustible effectue un certain refroidissement
du tube évaporateur.
Des essais importants ont montré que les dimensions du tube évaporateur présentent une grande importance pour le bon fonctionnement de l'appareil et au moins les paramètres suivants doivent être étudiés :
- le volume du tube, en tenant compte de la chute de pression du combustible ou de l'air de combustion et la possibilité de manger le combustible avec l'air de combustion ;
- la relation des masses entre le combustible et l'air de combustion;
- la région de transmission de la chaleur externe du tube, laquelle doit être suffisamment grande pour permettre l'évaporation d'une quantité maximale de combustible mais qui doit rester suffisse ment faible peur que le tube ne soit pas brûlé lorsque la quantité de quantité de combustible est basse;
- la forme en arc de cercle du tube évaporateur; <EMI ID=30.1> combustible dans le tube évaporateur,
<EMI ID=31.1>
teur qui est située à l'intérieur de la chambre de combustion doits
<EMI ID=32.1>
<EMI ID=33.1>
<EMI ID=34.1>
<EMI ID=35.1>
<EMI ID=36.1>
<EMI ID=37.1>
évaporateur, "di" représente le diamètre interne du tube évaporateur et L est la longueur totale de la partie du tube évaporateur qui se trouve à l'intérieur de la chambre de brûleur.
D'une manière empirique il a été montré que la valeur 4 Dy : (di) 2 doit être_ comprise entre 0,3 et 0,8, ou de préférence entre
0,35 et 0,50 et, ainsi qu'il est évident de la formule ci-dessus, cette valeur est indépendante de la longueur du tube évaporateur.
<EMI ID=38.1>
indépendante du type de combustible utilisé.
Il est évident qu'une valeur de 4 Dy : (di)<2> inférieure à 0,3 donne des tubes relativement imparfaits, donnant des vitesses d'écoulement basses du combustible, des gouttelettes relativement grosses, une combustion imparfaite et un mélange imparfait d'air et combustible. Une valeur supérieure à 0,8 donne des tubes étroits avec une vitesse d'écoulement élevée du combustible ou du mélange combustible-air, ce qui peut donner des chocs de pression ainsi que des fumées, et un mélange imparfait est obtenu du combustible et de la partie de l'air de combustion qui est, alimentée au tube évaporateur.
Il a été montré que la relation de longueur entre les différentes parties du tube évaporateur, c'est-à-dire de la partie
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avoir une certaine influence sur la décomposition et sur l'évaporation du combustible et sur la capacité de mélange du combustible avec l'air de combustion dans la chambre de combustion. Par consé-
<EMI ID=40.1> être plus longues que la partie à 90[deg.]. Afin d'obtenir une bonne évaporation du combustible,un mélange du combustible avec l'air
qui est alimenté directement au tube évaporateur, et une bonne décomposition mécanique du combustible, la partie d'admission du tube devrait être substantiellement plus longue que la partie à 90[deg.]. Cependant,la relation mutuelle de longueur entre les différentes parties doit être calculée en tenant compte de la capacité envisagée, c'est-à-dire de la quantité maximale de combustible injectée, de la vitesse d'écoulement du combustible et de l'air. De préférence, une partie portion essentielle de la partie d'admission est située à l'intérieur de la chambre de combustion de telle sorte que cette portion introduite dans la chambre de combustion absorbe la chaleur de combustion et fournisse une bonne évaporation du combustible.
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suffisamment loin du fond de la chambre de combustion pour que
le combustible ou le mélange combustible-air soit brûlé d'une manière substantiellement complète avant d'atteindre le fond de la chambre de combustion pour que le combustible ne doit pas dispersé sur le dit fond de la chambre de combustion.
Ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus, l'un des objets de la présente Invention est de donner au brûleur des dimensions aussi petites que possible, mais il �a encore le problème d'éviter des températures si élevées que les parois de la chambre du brûleur puissent être endommagées, par exemple permettant l'apparition d'incrustations. Il est connu, par exemple en connexion avec les moteurs "jet", d'introduire de l'air supplémentaire radialement
vers l'intérieur dans la chambre de combustion à travers les parois de la chambre de combustion, mais de cette manière la température de combustion est abaissée et on obtient'une combustion moins parfai-te, surtout parce qu'il n'est pas possible de contrôler de manière efficace la relation entre le combustible et l'air. Dans le cas du moteur "jet" on désire- obtenir une pression de gaz aussi élevée,que
température de
possible mais on ne cherche pas à obtenir une/combustion aussi élevée que possible, une combustion aussi complète que possible
et le maintien des dimensions du brûleur à des valeurs aussi petites que possibles. La dite méthode déjà connue ne convient par conséquent pas dans le cas présent. Un autre objet de la présente invention est par conséquent de prévoir un brûleur ayant une capacité aussi élevée que possible ou une combustion aussi complète que possible et des dimensions aussi petites que possible, et dans lequel le problème de la possibilité d'une surchauffe nuisible des
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Selon un autre aspect de la présente invention, le dit problème est résolu par le fait que l'admission de l'air de combustion se fait au fond de la chambre de combustion de sorte
que l'air de combustion pénètre dans la chambre de combustion substantiellement en direction axiale et l'admission comprend plusieurs pentes radiales, chacune de celles-ci ayant une ailette dirigeant le courant et imprimant au courant d'air un mouvement hélicoïdal, avec ce résultat que l'on obtient un mélange d'air et de combustible très satisfaisant et la combustion se fait pratiquement de manière unitaire et sans concentration de chaleur sur les parois de la chambre de combustion, comme cela se produit dans les modes de réalisation déjà connus.
Selon un mode spécial de réalisation de la présente invention, l'air de combustion est également introduit à travers un passage en labyrinthe à l'extérieur de la chambre de combustion en forme de coupe, de sorte que l'air froid de combustion à contre-courant par rapport à la direction de combustion pourra s'échapper le long des parois de la chambre
de combustion en refroidissant ces parois avant que l'air ne
pénètre dans l'admission pour l'air prévu au fond de la chambre
de combustion.
L'invention sera maintenant décrite plus en détail
ci-après en se reportant aux dessins ci-joints qui montrent des modes préférentiels de réalisation de l'invention.
Dans les dessins, la figure 1 montre schématiquement à l'échelle entière un mode préférentiel de réalisation d'un brûleur selon l'invention destiné à brûler des combustibles liquides, gazeux ou solides. La figure 2 est une coupe axiale faite à travers un brûleur ayant un ttibe de combustion du type illustré dans la figure 1. La figure 3 est-une coupe-axiale faite à travers un brûleur selon l'invention quand elle est appliquée à un appareil servant pour le chauffage d'un agent de transfert de chaleur, et la figure 4 est une coupe faite le long de la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 1 montre d'une manière générale une chambre de combustion 1 ayant un brûleur 2 selon l'invention.
D'une manière .conventionnelle, la chambre de combustion
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en direction vers l'extérieur. Dans le fond 4 de la chambre de combustion on prévoit une admission pour l'air fourni par plusieurs fentes 5 se dirigeant radialement autour du centre 6 de la chambre de combustion et présentant des ailettes 7 dirigeant le courant et imprimant à l'air de combustion qui pénètre un mouvement de rotation.
Le brûleur 2 comprend un"tube de brûleur" ou tube dit <EMI ID=45.1>
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chambre de combustion 1. Le tube évaporateur 8 est formé de trois parties qui sont connectées l'une avec l'autre à angles d'environ
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angle d'environ 90[deg.],
A l'extrémité d'admission de la partie 8a, le tube évapora-
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être un tank ou :récipient combustible liquide^ gazeux ou
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de combustion est reçu et d'OÙ une petite quantité de l'air de
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Selon_la présente-Invention, une certaine quantité d'air est mélangée avec du combustible dans la chambre de mélange 10 avant que le combustible ne pénètre dans le tube évaporateur 8, et
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favorable pour la réalisation d'une combustion très satisfaisante donnant de faibles teneurs en oxyde de carbone et en oxyde ci;azote.
L'introduction d'air dans la chambre de mélange 10 doit cependant
se faire entre des limites prédéterminées. Lorsqu'on introduit
de l'air dans la chambre de mélange en quantités allant jusqu'à
8% en poids de la quantité totale d'air de combustion, la combustion est améliorée de façon continue et les teneurs en oxydes de carbone et d'azote sont réduites, probablement parce qua la quantité d'air introduite a facilité la décomposition mécanique du combustible
en petites gouttelettes et a facilité également l'influence thermique sur le combustible pour la vaporisation du combustible. En partant
<EMI ID=59.1>
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<EMI ID=61.1> empêchant la surchauffe et la combustion du tube. Si la quantité d'air introduite dans la chambre de mélange se trouve dans les environs de la limite supérieure de 15 à 20 % en poids, le risque existe que l'air provoque un refroidissement trop fort du mélange combustible-air, plus spécialement lorsqu'il y a une puissance élevée et une vitesse d'écoulement forte du mélange combustible-air, ce qui donnerait une combustion imparfaite. En considérant la possibilité de contrôler le brûleur, la quantité d'air introduit devrait être comprise entre 4 et 15% en poids ou de préférence
entre 8 et 12% en poids.
Des essais ont été faits avec des tubes dvaporateurs présentant une partie arrondie, mais il a été trouvé que cela
donne une combustion moins parfaite et en même temps le risque de surchauffe du tube d'évaporât ion augmente à l'endroit de la dite partie arrondie. Il est par conséquent important que le tube évaporateur soit replié par des bords aigus. Le tube évaporateur pourra présenter n'importe quelle forme de section appropriée; de préférence, ce tube sera fait de tubes circulaires.
Afin de prévoir une combustion efficace sans risque de surchauffe des parole de la chambre de combustion, l'air de combustion est introduit axlalement à travers le fond 4 de la chambre de combustion 1, et le tube évaporateur 8 est monté de telle manière que la partie d'écho de ce tube évaporateur se
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des parois de la chaire de combustion, la partie qui est destinée
<EMI ID=64.1> ment, refroidit les parois 3 de la chambre de combustion 1 pendant son écoulement vers l'arrière vers le fond 4 de cette chambre de combustion. D'une manière correspondante, les gaz d'échappement peuvent également être refroidie grâce à leur alimentation vers l'arrière dans une chambre 22 de gaz d'échappement,, et la masse qui doit être chauffée par le brûleur sera ainsi fournie dans un
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telle sorte que les gaz chauds de combustion passeront, ou seront alimentés à travers la dite masse avant de pénétrer dans la chambre
22 des gaz d'échappement.
Dans le mode de réalisation de la présente invention illustré dans la figure 3, la chambre de combustion 1 présente
la forme d'un cylindre circulaire constitué par des parois 3 et par un fond 4 dans lequel se trouve disposée l'entrée 5 pour
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lorsque le mélange combustible-air quitte la chambre de combustion et pourrait, comme dans le mode de réalisation illustrée présenter
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selon les conditions opératoires cette relation pourrait être supérieure ou Inférieure à la dite valeur de 1:1. L'admission d'air au fond- de la, chambre de combustion est créée par'plusieurs fentes 6 présentant des ailettes 7 qui dirigent le courante ces ailettes étant repliées par rapport au dit fond.
Les dites ailettes 7 qui dirigent le courant sont estampées
<EMI ID=69.1>
<EMI ID=70.1> traverse la dite admission. Afin de former le courant d'air dans les meilleures conditions le fond 4 de la chambre de combustion diverge coniquement vers l'extérieur, d'un angle conique d'environ
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meilleure combustion possible, les parois 3 de la chambre de combustion peuvent également être légèrement divergentes en direction vers l'extérieur, par exemple d'un angle de 5 à 10[deg.].
Il a été montré que l'addition d'air au combustible mentionnée ci-dessus traversant': le conduit à combustible 11 est particulièrement avantageuse dans le cas d'un combustible liquide dans lequel la quantité d'air présente facilite davantage la réduction des dimensions des gouttelettes de combustible en accélérant et améliorant ainsi l'évaporation du combustible. L'air de combustion est reçu de la chambre à air 19, laquelle est connectée de manière étanche avec l'extrémité externe de la chambre de combustion 1, et qui est formée avec une admission
à travers laquelle l'air est alimenté au moyen de la pompe ou ventilateur 18 par l'intermédiaire d'une valve de contrôle 24. Entre les parois 3 de la chambre de combustion et les parois externes 25 de la chambre à air 19 se trouve prévu un espace annulaire divisé en un labyrinthe 21 au moyen d'un corps en forme de labyrinthe 26 lequel avec les parois 27 de ce corps se prolonge dans le dit espace annulaire, le divisant en deux parties substantiellement similaires. L'extrémité externe
du corps en forme de labyrinthe 26 est espacée par rapport à l'extrémité de la chambre à air 19 afin de permettre un retour de l'air depuis la partie externe de labyrinthe 21a jusqu'à la partie interne.en forme de labyrinthe 21d. Entre le fond 28 de la chambre à air 19 et le fond 29 du corps en forme de labyrinthe 26, se trouve la chambre 19 d'admission d'air et la partie principale de l'air est introduite depuis cette chambre 19 dans la chambre
de combustion par l'intermédiaire des labyrinthes 21a et 21d respectivement et d'une chambre de dilatation 30 formée entre
le fond 4 de la chambre de combustion et le fnnd 29 du corps de labyrinthe. En dépassant la partie de labyrinthe externe 21a, la vitesse d'écoulement de l'air augmente, et la vitesse d'écoulement est encore davantage augmentée lorsque l'air traverse la partie
de labyrinthe interne 21b, et la vitesse d'écoulement peut alors diminuer dans la chambre de dilatation 30 hors de laquelle l'air est introduit dans la chambre de combustion avec une vitesse relativement basse, en passant à travers les fentes d'air 5 de la chambre de combustion.
La quantité d'air de combustion et la quantité de cambustible sont contrôlées respectivement au moyen des valves
13 et 24, ces valves étant de préférence interconnectées par des moyens de contrôle communs 31. L'air de combustion qui entre, et qui présente une température égale à la température ambiante à
l'entrée 23, est légèrement chauffé pendant son passage à travers le passage de labyrinthe externe 21a, et ce chauffage est augmenté jusqu'à un niveau apprécialement plus grand lorsqu'il traverse
le passage de labyrinthe interne 21b en même temps que l'air
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avec la direction d'écoulement des gaz de combustion, puisque la température de l'air est substantiellement inférieure à la température des gaz de combustion.
Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, selon lequel la chambre de combustion présente un
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de combustible liquide ont été pompés par secondes à travers le tube évaporateur 8, ce qui correspond à une puissance de 50 kW, on a obtenu une température maximale d'environ 2200[deg.]C pour les
gaz de combustion, tandis que l'air de combustion à l'entrée 23 possédait une température d'environ 20[deg.]C et une température dans la chambre* de dilatation 30 de 750[deg.]C. Grâce au refroidissement
des parois 3 de la chambre de combustion au moyen de l'air de combustion, la température des parois 3 pouvait être maintenue substantiellement an-dessous de la température critique correspondant à la température de formation d'incrustations, laquelle dans ce cas était de 1150[deg.]C. Egalement, grâce au refroidissement efficace par l'air de combustion et grâce au tourbillonnement spécial du courant d'admission au fond de la chambre de combustion, il a été possible de réaliser une puissance très élevée avec un volume très faible du brûleur.
Dans les figures 3 et 4, le brûleur est connecté avec un réchauffeur 35 pour l'eau, pour le gaz, pour l'air ou pour tout autre agent. Un domaine très spécial d'application est constitué par les moteurs à air chaud ou à gaz chaud dans lesquels l'air opératoire ou le gaz opératoire pourront être chauffés rapidement à une température très élevée, et dans ce cas le réchauffeur
35 présente la forme d'un système fermé de chenal à air ou à gaz ayant des tubes récepteurs de chaleur 36 dont on n'a illustré
que quatre tubes, et des collecteurs 37. Les tubes 36 récepteurs de chaleur sont montés en serpentin et se prolongent axialement juste à l'extérieur de la chambre de combustion 1, et les gaz
de combustion peuvent ainsi passer entre les tubes récepteurs
de chaleur 36 et sortir à travers un chanal d'échappement 39.
Ce chenal d'échappement 39 est formé entre les parois externe
25 de la chambre à air 19 et une enveloppe d'échappement 38 qui contient aussi bien le brûleur 2 que�e réchauffeur 35. Les gaz d'échappement passant en direction vers l'arrière vers le chenal
39 sont refroidis à contre-courant par rapport à l'air qui traverse le labyrinthe externe 21a.
Afin de permettre un allumage du mélange combustible-air lorsque le brûleur est froide on prévoit une bougie d'allumage
40 dans la chambre de combustion devant l'embouchure 9 du tube évaporateur 8, et cette bougie d'allumage 40 est connectée d'une manière connue en soi avec une source de courant électrique (non illustrée) pour produire une étincelle d'allumage. Alternativement, la bougie d'allumage 40 pourra être montée dans la chambre de mélange 10 ou à tout autre endroit du tube évaporateur 8. Un allumage pourra également être obtenu par une augmentation de
la quantité d'air par rapport à la quantité de combustible de telle manière que le mélange combustible-air puisse être allumé.
L'appareil décrit ci-dessus fonctionne à une pression basse du combustible et à. une vitesse d'écoulement basse de l'air de combustion et il est par conséquent possible d'employer de
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problèmes spéciaux d'étanchéité comme cela se produit dans les systèmes à haute pression déjà connus. Selon la pression relativement basse du combustible et selon la vitesse d'écoulement de l'air, on obtient une combustion efficace à une faible distance du point de sortie du combustible, et cela donne la possibilité d'employer des combustibles en forme de poudre, comme par exemple la poudre de charbon, ce qui est également rendu possible grâce
à la surface interne relativement grande du tube évaporateur.
Il est bien entendu que la description donnée ci-dessus avec les divers modes de réalisation de l'invention telle qu'illustrée dans les dessins ci-joints n'a été donnée qu'à titre d'exemple et que de nombreuses modifications pourront être apportées tout en restant endéans la portée des revendications.
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REVENDICATIONS.
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ou un mélange combustible air est alimenté dans une chambre de
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tube relativement grand (8), le combustible étant ainsi, pendant
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mécaniques et thermiques, et le combustible est alimente avec
une quantité prédéterminée d'air avant son introduction dans le tube (8), cet air étant mélangé avec le combustible dans le tube
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l'air supplémentaire de combustion alimenté à travers des orifices
<EMI ID=83.1>
et avec lequel le mélange combustible air est mélangé et brûlé.
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The present invention relates to a method and apparatus for the combustion of liquid, gaseous or powdered fuels, and more particularly for the combustion of these fuels at a relatively low pressure for both the fuel and the combustion air.
<EMI ID = 2.1>
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<EMI ID = 4.1>
in this way problems which exist in already known methods and apparatus, for example imperfect combustion, high carbon monoxide content, formation of coke with a high carbon monoxide content in the burner head, etc., overheating of various parts of the burner, etc. The method and apparatus according to the invention can be used in many different technical fields and for many different purposes, for example
in connection with burners for chimneys, for steam engines, steam turbines, gas turbines, hot air engines, hot gas engines, etc.
Burners are already known comprising a burner head through which liquid fuel is forced under high pressure, such that the fuel is atomized when it leaves the burner head, or in which the fuel is forced to pass through. said burner head by air under high pressure, and in this way the liquid is also atomized when it leaves said burner head. Such burners have various drawbacks.
They have relatively narrow limits of adjustment, the diverging angle for the atomized fuel is modified according to the pressure and according to the speed of the ejected fuel; the risk exists of a formation of coke which obstructs the head of the burner, this one requires a high pressure pump for the fuel or for the injection air, the flame of the combustion is often long, and the heat is concentrated in the flame in a region some distance from the burner head, difficult problems arise <EMI ID = 5.1>
<EMI ID = 6.1>
relatively quickly, the combustion is relatively uneven and incomplete leaving a high content of carbon monoxide and nitrogen oxide in the exhaust gases, the burner has a relatively low capacity and must therefore � have relatively large dimensions.
It has been proposed to provide a burner having a rotary diffuser instead of the compression head mentioned above;
such rotary diffusers may take the form of a rotating disc having a large number of small perforations all around its periphery through which fuel is thrown out by centrifugal force. Such burners can give better combustion than the devices mentioned above which have pressurized burner heads, and their main advantage will be that there is no need to provide in the installation a high pressure pump for fuel or for fuel. the air of bombustion. However, the device has other drawbacks: in this burner there is a risk of
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located at the periphery of the burner disc; one must have an engine running at very high speed to reject the fuel, this engine requiring very high precision in its manufacture both as regards the electrical parts and the mechanical parts, more especially for the supports and for the devices of assembly, etc., and according to very small tolerances such an engine will be relatively expensive. As in the burners mentioned above having burner heads under
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pressure, the atomization of the fuel also takes place in small
<EMI ID = 9.1> relatively thin or with rotating burner heads, atomization of the fuel results in relatively large droplets, which in general do not allow optimum combustion to be obtained. Also, in rotary diffusers the
<EMI ID = 10.1>
relative to the diffuser and therefore the burner for such diffusers must have relatively large dimensions.
Both burners with pressurized heads and burners with rotary diffusers have drawbacks in that they require liquid fuels, generally relatively light., And in general they do not make the combustion of heavy fuels possible, mixtures of heavy and light fuels, and solid fuels in powder form.
One of the objects of the present invention is to form
the burner with an almost high capacity as possible and which at the same time has dimensions as small as possible without presenting the risk of malfunction, for example
<EMI ID = 11.1>
<EMI ID = 12.1>
<EMI ID = 13.1>
this mixed with the combustion air in the combustion chamber and in which at least one part of the burner head is pro-
<EMI ID = 14.1> fuel and better combustion. According to a particular embodiment of such a burner, the burner tube is folded back
<EMI ID = 15.1>
in this way the fuel will be mechanically decomposed when it is subjected to friction during its flow, against the walls of the burner tube and it will strike the walls of this burner along
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high temperature. Because of said evaporation, the burner tube is generally referred to as the "evaporator tube". Burners having an evaporator tube have several advantages over the burner already known; for example they can act at low pressure of both fuel and combustion air, there is hardly any tube combustion or coke formation
<EMI ID = 17.1>
different from liquid or powdered fuels, or for mixtures of such fuels, they have a suitable capacity.
<EMI ID = 18.1>
nitrogen than the burners mentioned above, already known.
<EMI ID = 19.1> <EMI ID = 20.1> <EMI ID = 21.1>
high burner capacity and high working.
<EMI ID = 22.1> In order to solve the overheating problem, it has been proposed to cool the walls of the combustion chamber by introducing part of the combustion air radially inwards through the walls of the combustion chamber. combustion, but such a method reduces the capacity of the burner and the combustion will be less perfect. It has also been proposed to provide several small evaporation tubes at a certain radius from the center of the chamber.
<EMI ID = 23.1>
in this case also cooling is necessary by introducing a certain quantity of air through the walls of the combustion chamber, and moreover the apparatus will be relatively expensive.
<EMI ID = 24.1>
formed with a sharp-edged U-shaped arc, and part of the combustion air is used both to cool the evaporator tube and to improve the decomposition of the fuel as it flows through the evaporator fuel, and the combustion air is introduced substantially in the axial direction against the current with respect to the direction of the injected fuel. with
Forming the U-arch / sharp edges has advantages in this
that the fuel, by the sudden change in the direction of flow, undergoes a mechanical force which facilitates and accelerates the decomposition of the fuel, and the fuel also receives
<EMI ID = 25.1>
and fuel and at the same time the temperature is evenly distributed in the fuel and the fuel in the evaporator is somewhat cooled. By already introducing part of the air
<EMI ID = 26.1>
<EMI ID = 27.1>
<EMI ID = 28.1>
substantially improved fuel in small droplets and a substantially more uniform combustion is obtained
<EMI ID = 29.1>
in the combustion gases. At the same time, the cold air which is mixed with the fuel performs some cooling
of the evaporator tube.
Important tests have shown that the dimensions of the evaporator tube are of great importance for the correct functioning of the device and at least the following parameters must be studied:
- the volume of the tube, taking into account the pressure drop of the fuel or the combustion air and the possibility of consuming the fuel with the combustion air;
- the relation of masses between the fuel and the combustion air;
- the external heat transmission region of the tube, which must be large enough to allow the evaporation of a maximum quantity of fuel but which must remain sufficiently low lest the tube be burnt when the quantity of quantity of fuel is low;
- the arcuate shape of the evaporator tube; <EMI ID = 30.1> fuel in the evaporator tube,
<EMI ID = 31.1>
tor which is located inside the combustion chamber.
<EMI ID = 32.1>
<EMI ID = 33.1>
<EMI ID = 34.1>
<EMI ID = 35.1>
<EMI ID = 36.1>
<EMI ID = 37.1>
evaporator, "di" represents the internal diameter of the evaporator tube and L is the total length of the part of the evaporator tube that is inside the burner chamber.
Empirically it has been shown that the value 4 Dy: (di) 2 must be between 0.3 and 0.8, or preferably between
0.35 and 0.50 and, as is evident from the above formula, this value is independent of the length of the evaporator tube.
<EMI ID = 38.1>
independent of the type of fuel used.
It is evident that a value of 4 Dy: (di) <2> less than 0.3 results in relatively imperfect tubes, resulting in low fuel flow rates, relatively large droplets, imperfect combustion and imperfect mixing. air and fuel. A value greater than 0.8 results in narrow tubes with a high flow velocity of the fuel or fuel-air mixture, which can give pressure shocks as well as fumes, and an imperfect mixture is obtained of the fuel and the fuel. the part of the combustion air which is supplied to the evaporator tube.
It has been shown that the length relation between the different parts of the evaporator tube, i.e. of the part
<EMI ID = 39.1>
have some influence on the decomposition and evaporation of the fuel and on the ability of the fuel to mix with the combustion air in the combustion chamber. Therefore-
<EMI ID = 40.1> be longer than the part at 90 [deg.]. In order to obtain good evaporation of the fuel, a mixture of the fuel with air
which is fed directly to the evaporator tube, and good mechanical decomposition of the fuel, the inlet part of the tube should be substantially longer than the 90 [deg.] part. However, the mutual relation of length between the different parts must be calculated taking into account the envisaged capacity, i.e. the maximum quantity of fuel injected, the flow speed of the fuel and the air. . Preferably, an essential portion of the intake part is located inside the combustion chamber such that this portion introduced into the combustion chamber absorbs the heat of combustion and provides good evaporation of the fuel.
<EMI ID = 41.1>
far enough from the bottom of the combustion chamber so that
the fuel or the fuel-air mixture is burnt substantially completely before reaching the bottom of the combustion chamber so that the fuel does not have to be dispersed on said bottom of the combustion chamber.
As mentioned above, one of the objects of the present invention is to make the burner as small as possible, but it still has the problem of avoiding temperatures so high that the walls of the burner chamber may be damaged, for example allowing the appearance of encrustation. It is known, for example in connection with "jet" engines, to introduce additional air radially.
inwards into the combustion chamber through the walls of the combustion chamber, but in this way the combustion temperature is lowered and a less perfect combustion is obtained, especially because it is not possible to effectively control the relationship between fuel and air. In the case of the "jet" engine, it is desired to obtain a gas pressure as high as
temperature
possible but we do not seek to obtain a combustion as high as possible, a combustion as complete as possible
and keeping the dimensions of the burner at values as small as possible. The said method already known is therefore not suitable in the present case. Another object of the present invention is therefore to provide a burner having as high a capacity as possible or as complete combustion as possible and dimensions as small as possible, and in which the problem of the possibility of the possibility of harmful overheating of the heaters.
<EMI ID = 42.1>
According to another aspect of the present invention, said problem is solved by the fact that the admission of the combustion air takes place at the bottom of the combustion chamber so
that combustion air enters the combustion chamber substantially axially, and the intake comprises several radial slopes, each of which has a fin directing the current and imparting a helical motion to the air stream, with this result that a very satisfactory mixture of air and fuel is obtained and the combustion takes place practically in a unitary manner and without concentration of heat on the walls of the combustion chamber, as occurs in the embodiments already known.
According to a special embodiment of the present invention, the combustion air is also introduced through a labyrinth passage outside the cup-shaped combustion chamber, so that the cold combustion air against -current in relation to the direction of combustion will be able to escape along the walls of the chamber
combustion by cooling these walls before the air
enters the intake for the air provided at the bottom of the chamber
combustion.
The invention will now be described in more detail.
hereinafter with reference to the accompanying drawings which show preferred embodiments of the invention.
In the drawings, FIG. 1 shows schematically on a full scale a preferred embodiment of a burner according to the invention intended to burn liquid, gaseous or solid fuels. Figure 2 is an axial section taken through a burner having a combustion type of the type illustrated in Figure 1. Figure 3 is an axial section taken through a burner according to the invention when applied to an appliance. serving for heating a heat transfer medium, and Figure 4 is a section taken along line IV-IV of Figure 3. Figure 1 shows generally a combustion chamber 1 having a burner 2 according to the invention.
Conventionally, the combustion chamber
<EMI ID = 43.1>
<EMI ID = 44.1>
outward direction. In the bottom 4 of the combustion chamber there is an intake for the air supplied by several slots 5 running radially around the center 6 of the combustion chamber and having fins 7 directing the current and imparting to the combustion air which enters a rotational movement.
Burner 2 includes a "burner tube" or tube called <EMI ID = 45.1>
<EMI ID = 46.1>
combustion chamber 1. The evaporator tube 8 is formed of three parts which are connected with each other at angles of approximately
<EMI ID = 47.1>
<EMI ID = 48.1>
angle of about 90 [deg.],
At the inlet end of part 8a, the evaporator tube
<EMI ID = 49.1>
<EMI ID = 50.1>
<EMI ID = 51.1>
<EMI ID = 52.1>
be a tank or: liquid fuel container ^ gas or
<EMI ID = 53.1>
<EMI ID = 54.1>
of combustion is received and from where a small amount of the
<EMI ID = 55.1>
<EMI ID = 56.1>
<EMI ID = 57.1>
According to the present invention, a certain amount of air is mixed with fuel in the mixing chamber 10 before the fuel enters the evaporator tube 8, and
<EMI ID = 58.1>
favorable for the achievement of a very satisfactory combustion giving low contents of carbon monoxide and of nitrogen oxide.
The introduction of air into the mixing chamber 10 must, however,
be done between predetermined limits. When we introduce
air in the mixing chamber in amounts up to
8% by weight of the total amount of combustion air, combustion is continuously improved and the contents of carbon and nitrogen oxides are reduced, probably because the amount of air introduced facilitated the mechanical decomposition of the fuel. combustible
in small droplets and also facilitated the thermal influence on the fuel for fuel vaporization. Starting
<EMI ID = 59.1>
<EMI ID = 60.1>
<EMI ID = 61.1> preventing overheating and burning of the tube. If the amount of air introduced into the mixing chamber is in the vicinity of the upper limit of 15 to 20% by weight, there is a risk that the air will cause the fuel-air mixture to cool too strongly, especially when There is a high power and a strong flow velocity of the fuel-air mixture, which would give imperfect combustion. Considering the possibility of controlling the burner, the quantity of air introduced should be between 4 and 15% by weight or preferably
between 8 and 12% by weight.
Tests have been made with vaporizer tubes having a rounded part, but it was found that this
gives a less perfect combustion and at the same time the risk of overheating of the evaporating tube increases at the location of the said rounded part. It is therefore important that the evaporator tube is folded over with sharp edges. The evaporator tube can have any suitable cross-sectional shape; preferably, this tube will be made of circular tubes.
In order to provide efficient combustion without the risk of overheating of the combustion chamber floors, the combustion air is introduced axlalement through the bottom 4 of the combustion chamber 1, and the evaporator tube 8 is mounted in such a way that the echo portion of this evaporator tube is
<EMI ID = 62.1>
<EMI ID = 63.1>
walls of the combustion chamber, the part which is intended
<EMI ID = 64.1> ment, cools the walls 3 of the combustion chamber 1 as it flows backwards towards the bottom 4 of this combustion chamber. Correspondingly, the exhaust gases can also be cooled by being fed back to an exhaust gas chamber 22, and the mass which is to be heated by the burner will thus be supplied in a
<EMI ID = 65.1>
such that the hot combustion gases will pass, or will be fed through said mass before entering the chamber
22 exhaust gases.
In the embodiment of the present invention illustrated in Figure 3, the combustion chamber 1 has
the shape of a circular cylinder formed by walls 3 and by a bottom 4 in which the inlet 5 is located for
<EMI ID = 66.1>
<EMI ID = 67.1>
when the fuel-air mixture leaves the combustion chamber and could, as in the illustrated embodiment present
<EMI ID = 68.1>
depending on the operating conditions this relationship could be greater or less than the said value of 1: 1. The air intake at the bottom of the combustion chamber is created by several slits 6 having fins 7 which direct the flow, these fins being folded back relative to said bottom.
The said fins 7 which direct the current are stamped
<EMI ID = 69.1>
<EMI ID = 70.1> passes through said admission. In order to form the air current under the best conditions, the bottom 4 of the combustion chamber diverges conically outwards, at a conical angle of approximately
<EMI ID = 71.1>
best possible combustion, the walls 3 of the combustion chamber may also diverge slightly towards the outside, for example by an angle of 5 to 10 [deg.].
It has been shown that the addition of air to the above-mentioned fuel passing through the fuel duct 11 is particularly advantageous in the case of a liquid fuel in which the quantity of air present further facilitates the reduction in dimensions. droplets of fuel by accelerating and improving the evaporation of the fuel. The combustion air is received from the air chamber 19, which is sealingly connected with the outer end of the combustion chamber 1, and which is formed with an inlet
through which the air is supplied by means of the pump or fan 18 via a control valve 24. Between the walls 3 of the combustion chamber and the outer walls 25 of the air chamber 19 is located provided an annular space divided into a labyrinth 21 by means of a labyrinth-shaped body 26 which together with the walls 27 of this body extends into said annular space, dividing it into two substantially similar parts. The outer end
of the labyrinth-shaped body 26 is spaced from the end of the air chamber 19 to allow return of air from the outer labyrinth portion 21a to the inner labyrinth-shaped portion 21d. Between the bottom 28 of the air chamber 19 and the bottom 29 of the labyrinth-shaped body 26 is the air intake chamber 19 and the main part of the air is introduced from this chamber 19 into the chamber.
combustion via labyrinths 21a and 21d respectively and an expansion chamber 30 formed between
the bottom 4 of the combustion chamber and the end 29 of the labyrinth body. By passing the outer labyrinth part 21a, the air flow speed increases, and the flow speed is further increased as the air passes through the part.
of the internal labyrinth 21b, and the flow velocity can then decrease in the expansion chamber 30 out of which the air is introduced into the combustion chamber with a relatively low velocity, passing through the air slots 5 of the combustion chamber.
The quantity of combustion air and the quantity of burner are controlled respectively by means of the valves
13 and 24, these valves preferably being interconnected by common control means 31. The combustion air which enters, and which has a temperature equal to the ambient temperature at
inlet 23, is slightly heated as it passes through the outer labyrinth passage 21a, and this heating is increased to an appreciably greater level as it passes through
the passage of the internal labyrinth 21b at the same time as the air
<EMI ID = 72.1>
with the flue gas flow direction, since the air temperature is substantially lower than the flue gas temperature.
According to a particular embodiment of the present invention, according to which the combustion chamber has a
<EMI ID = 73.1>
of liquid fuel were pumped per seconds through the evaporator tube 8, which corresponds to a power of 50 kW, a maximum temperature of about 2200 [deg.] C was obtained for the
combustion gas, while the combustion air at inlet 23 had a temperature of about 20 [deg.] C and a temperature in the expansion chamber 30 of 750 [deg.] C. Through cooling
of the walls 3 of the combustion chamber by means of the combustion air, the temperature of the walls 3 could be maintained substantially below the critical temperature corresponding to the temperature of scale formation, which in this case was 1150 [deg.] C. Also, thanks to the efficient cooling by the combustion air and thanks to the special swirling of the intake stream at the bottom of the combustion chamber, it has been possible to achieve a very high power with a very small volume of the burner.
In Figures 3 and 4, the burner is connected with a heater 35 for water, gas, air or any other medium. A very special field of application consists of hot air or hot gas engines in which the operating air or the operating gas can be heated quickly to a very high temperature, and in this case the heater
35 is in the form of a closed air or gas channel system having heat receiving tubes 36 which have not been illustrated
as four tubes, and collectors 37. The heat receiver tubes 36 are mounted in a coil and extend axially just outside the combustion chamber 1, and the gases
combustion can thus pass between the receiving tubes
36 and exit through an exhaust channel 39.
This exhaust channel 39 is formed between the outer walls
25 of the air chamber 19 and an exhaust casing 38 which contains both the burner 2 and the heater 35. The exhaust gases passing backwards towards the channel
39 are countercurrently cooled to the air flowing through the outer labyrinth 21a.
To allow ignition of the fuel-air mixture when the burner is cold, an ignition plug is provided
40 in the combustion chamber in front of the mouth 9 of the evaporator tube 8, and this spark plug 40 is connected in a manner known per se with a source of electric current (not shown) to produce an ignition spark. Alternatively, the spark plug 40 could be mounted in the mixing chamber 10 or at any other location in the evaporator tube 8. Ignition could also be obtained by increasing
the amount of air relative to the amount of fuel so that the fuel-air mixture can be ignited.
The apparatus described above operates at low fuel pressure and at. a low flow rate of the combustion air and it is therefore possible to use
<EMI ID = 74.1>
special sealing problems as occurs in known high pressure systems. Depending on the relatively low fuel pressure and the air flow velocity, efficient combustion is achieved at a short distance from the fuel outlet point, and this gives the possibility of using powdered fuels, such as coal powder, which is also made possible by
to the relatively large internal surface of the evaporator tube.
It is understood that the description given above with the various embodiments of the invention as illustrated in the accompanying drawings has been given only by way of example and that many modifications can be made. made while remaining within the scope of the claims.
<EMI ID = 75.1>
<EMI ID = 76.1>
CLAIMS.
<EMI ID = 77.1>
<EMI ID = 78.1>
or a combustible air mixture is fed into a chamber
<EMI ID = 79.1>
relatively large tube (8), the fuel being thus, during
<EMI ID = 80.1>
mechanical and thermal, and the fuel is supplied with
a predetermined quantity of air before its introduction into the tube (8), this air being mixed with the fuel in the tube
<EMI ID = 81.1>
<EMI ID = 82.1>
additional combustion air supplied through orifices
<EMI ID = 83.1>
and with which the combustible air mixture is mixed and burnt.