CH626152A5

CH626152A5 -

Info

Publication number: CH626152A5
Application number: CH1201578A
Authority: CH
Inventors: Raymond Bourbon
Original assignee: Centre Tech Ind Aerauliq
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1978-11-23
Publication date: 1981-10-30
Also published as: ES475388A1; FR2410219B1; DE2850709A1; US4256450A; CA1115636A; GB2008739A; IT7852049A0; GB2008739B; FR2410219A1; IT1106343B; JPS5482733A

Description

L'invention concerne un procédé de combustion de combustibles liquides et un brûleur pour la mise en œuvre de ce procédé qui est spécialement destiné aux installations de chauffage de faible puissance calorifique destinées aux habitations individuelles, c'est-à-dire de puissance inférieure à 20 th/h.

Comme on le sait, un brûleur est un dispositif destiné à mélanger, en proportions appropriées, un combustible liquide, tel que le fuel-oil ou similaire, amené sous forme liquide ou gazeuse et un comburant (air), puis à assurer la combustion du mélange intime, afin de produire une énergie capable de chauffer un fluide caloporteur tel que de l'eau ou de l'air.

On connaît deux méthodes pour préparer le combustible: la pulvérisation, qui consiste à fragmenter le combustible en très fines particules afin de favoriser la formation de vapeurs et le mélange avec le comburant, et ensuite la vaporisation, qui consiste à réchauffer le combustible jusqu'à l'obtention des vapeurs désirées.

Dans le procédé dit à pulvérisation, le plus répandu à ce jour est celui dit à pulvérisation mécanique, dans lequel le combustible est 'sous pression avant son passage à travers des rainures et un orifice de petites dimensions réalisés dans un gicleur. Or, pour de faibles débits tels que ceux inférieurs à 20 th/h, la précision des usinages est insuffisante pour garantir ce débit et assurer une répartition homogène du fuel-oil dans le jet pulvérisé, donc dans l'air de combustion. En outre, les faibles dimensions des rainures et des orifices rendent ces brûleurs très vulnérables au colmatage. On a aussi proposé d'autres procédés, par exemple: la pulvérisation par air, notamment à moyenne pression, par exemple de l'ordre de 30 mbars et plus, qui nécessite un compresseur et qui est donc coûteuse et bruyante (voir par exemple le brevet français No 1073955),

la pulvérisation par coupelle rotative, dont le mécanisme est également complexe, coûteux et souvent bruyant,

la pulvérisation par ultrasons, dont la fiabilité est loin d'être certaine, et enfin la pulvérisation électrostatique, mais pour laquelle il n'a guère été possible de séparer de façon convenable la zone de combustion du champ électrique de pulvérisation.

Dans le procédé dit à vaporisation ou à gazéification, utilisé surtout dans le chauffage domestique par poêle à mazout, le rendement est faible, la combustion facilement dégradable en fonction du tirage et surtout l'automatisation reste très délicate.

L'invention se propose donc de remédier à ces principaux inconvénients.

Le procédé de combustion selon l'invention se caractérise en ce que, préalablement à cette vaporisation, on effectue une pulvérisation grossière du combustible au moyen d'air à une pression de l'ordre de 3 mbars.

Ainsi, il n'est plus utile de faire appel à des compresseurs qui sont, comme déjà dit, coûteux mais seulement à des ventilateurs.

En pratique, la pulvérisation pneumatique grossière préalable peut s'effectuer au niveau du col d'un convergent en amenant le combustible liquide sensiblement sans pression au contact d'un courant d'air tourbillonnaire. On a constaté que seul un convergent permettait d'obtenir le résultat recherché. En effet, si au lieu de ce convergent, on utilisait un venturi, comme cela est enseigné dans le brevet français N° 1114033, au lieu de pulvériser sous forme de goutelettes ou de particules, et au lieu d'accélérer la vitesse de ces particules, on mouillerait les parois de la partie divergente du venturi et on reformerait un film liquide non dispersé.

Le col de ce convergent est avantageusement disposé sur une génératrice de l'enceinte de vaporisation.

Dans le brevet français No 710045, on avait déjà proposé d'améliorer la combustion des huiles lourdes en leur communiquant un mouvement tourbillonnaire. Toutefois, ici le but recherché et la structure mise en œuvre pour atteindre ce but étaient totalement différents.

Un brûleur pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention comporte des moyens d'amenée d'air de combustion sous pression dans un conduit relié à la tête de combustion et des moyens d'amenée du combustible sous forme de gouttelettes ou de fines particules dans une enceinte de vaporisation, elle-même connectée à la tête de combustion où le combustible arrive sous forme de vapeurs pour se mélanger à l'air de combustion. Ce brûleur est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amenée du combustible liquide, sensiblement sans pression au niveau d'un convergent situé sur une génératrice de la paroi de l'enceinte de vaporisation, et des moyens pour amener un courant d'air tourbillonnaire de pulvérisation au niveau du col du convergent.

Dans une forme de réalisation avantageuse, les moyens d'amenée de combustible et d'air tourbillonnaire qui forment le pulvérisateur se composent d'une chambre cylindrique terminée par un convergent, l'injecteur de combustible et sa tuyauterie d'alimenta5

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tion étant situés dans Taxe longitudinal de cette chambre et les moyens d'amenée d'air tourbillonnaire débouchent axialement sur une génératrice dans la chambre cylindrique. Avantageusement, la position de l'injecteur est réglable par rapport à celle du col du convergent. De même, l'air de pulvérisation débouche tangentielle-ment dans la chambre et est relié à la même source d'amenée d'air de combustion sous pression.

L'enceinte de vaporisation connectée à la tête de combustion se présente avantageusement sous forme d'un tronc de cône, relié par sa petite base à la tête de combustion. L'axe longitudinal de l'injecteur coïncide alors sensiblement avec le centre de la base du cône, afin d'assurer une meilleure répartition uniforme du jet.

En pratique, la distance verticale entre l'injecteur et la base du cône de l'enceinte de vaporisation est supérieure à la longueur de résolution du jet.

De même, les parois de cette enceinte peuvent être chauffées de manière connue, notamment par des résistances électriques, à une température appropriée, de manière que ces parois aient une température comprise entre 450 et 600°C, car en deçà on condenserait le liquide combustible et au-delà on le craquerait.

La tête de combustion peut se trouver connectée, par le bas, à l'enceinte de vaporisation et, par le haut, sur sa périphérie au conduit d'amenée d'air de combustion. En pratique, cet air de combustion débouche dans un plan sensiblement perpendiculaire au flux des vapeurs de combustible, et on fait varier le nombre et la forme des orifices d'admission de cet air de combustion en fonction des résultats recherchés. On a déterminé que l'on obtenait de bons résultats en utilisant des têtes de combustion en forme de couronne percée à sa périphérie d'orifices d'amenée d'air de combustion, surmontée d'un canon cylindrique, présentant à sa base, de bas en haut, d'une part, une grille antiretour de flamme et, d'autre part, une grille accroche-flamme.

Enfin, ce dispositif brûleur peut présenter des moyens classiques, tels que:

un allumeur électrique, par exemple par étincelles produites entre électrodes par un générateur de haute tension, et des moyens pour surveiller la nature et l'existence de la flamme.

La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront à titre d'exemple de la description à l'appui des figures annexées.

La fig. 1 représente en vue perspective et éclatée sommaire un brûleur conforme à l'invention.

La fig. 2 montre en vue perspective éclatée sommaire le détail de l'organe de pulvérisation.

La fig. 3 schématise un convergent.

Les fig. 4 et 6 représentent en coupe un détail de la tête de combustion.

Enfin, la fig. 5 montre sommairement un tel brûleur installé dans une chaudière.

En se référant à la fig. 1, ce brûleur se compose d'un ventilateur 1 à très faible puissance de refoulement (3 mbars) à débit nul, présentant sur une de ses faces latérales un moteur électrique d'entraînement 2 et sur son autre face, une prise d'air 3 réglable.

Un conduit d'air 4, par exemple en tôle métallique ou autre, est relié à son entrée à la bouche 5 du ventilateur 1 et à sa sortie à la périphérie de la tête de combustion; ce conduit 4 est destiné à amener l'air de combustion puisé fourni par le ventilateur 1 à la tête de combustion 15 où il rejoindra le combustible vaporisé.

Sur ce conduit 4 est branchée une prise d'air latérale de pulvérisation qui, par un autre conduit 7, amène cet air de pulvérisation dans un pulvérisateur 8; un diaphragme 9 calibre le rapport en volume entre l'air de combustion et l'air de pulvérisation; on a déterminé que l'on obtenait de bons résultats en choisissant un rapport volumique voisin de cinq; ainsi, on s'éloigne des limites d'inflammabilité du mélange air de pulvérisation/vapeurs de fuel dans l'enceinte de pulvérisation.

Un pulvérisateur (voir fig. 2) est formé d'un corps cylindrique 8, par exemple en laiton ou en acier, dans lequel passe un conduit longitudinal 10 d'amenée de combustible, relié à la source d'alimentation, non représentée, de combustible sous pression, tel qu'une pompe non refoulante ou un bac à niveau constant; l'extrémité 11 de ce conduit 10 forme injecteur et débouche dans un convergent 12, également en laiton, acier ou équivalent, dont le col est situé sur une génératrice de l'enceinte de vaporisation 13; le conduit 7 d'amenée de l'air de pulvérisation débouche de préférence sensiblement de façon tangentiale dans le corps 8. On a déterminé que l'on obtenait de bons résultats si le covergent 12 avait un angle au sommet voisin de 70: et s'il était surmonté d'un col (voir fig. 3) cylindrique 21, de préférence de 1 mm, et si la distance entre la sortie du gicleur et l'entrée du convergent était de l'ordre du millimètre, avantageusement de 0,5 mm; dans ces conditions, on obtient des gouttelettes dont le diamètre maximal est inférieur à 800 u. et dont le diamètre moyen de Sauter, calculé sans prendre en compte les gouttelettes de diamètre inférieur à 50 u., est de 430 (x.

Une enceinte de vaporisation 13, en tôle par exemple, a des parois chauffées, par exemple par des résistances électriques 14, notamment au démarrage du brûleur.

Une tête de combustion 15, en forme de couronne, est connectée par sa base à l'enceinte de vaporisation 13 et par sa périphérie au canal 4 d'amenée de l'air de combustion, percée sur cette périphérie 16 d'orifices équiangulaires 17. Cette tête 15 (voir notamment fig. 4 et 5) présente avantageusement la forme d'un tronc de cône sur la paroi 16 duquel sont répartis uniformément les orifices 17 d'amenée de l'air de combustion. Le tronc de cône 16 est connecté à la petite base de l'enceinte 13 de vaporisation, et il est séparé de celle-ci par une grille accroche-flamme 19 de perméabilité déterminée, destinée, d'une part, à accrocher la flamme et, d'autre part, à fixer la vitesse de sortie des vapeurs de fuel. Ce tronc de cône 16 est éventuellement surmonté à sa grande base d'un canon cylindrique 18 prolongeant la sortie de la tête de combustion 15 (voir fig. 4). Dans une forme d'exécution préférentielle, sans canon 18, la grille accroche-flamme 19 est associée à une toile métallique 20 placée avant elle, par rapport au sens des vapeurs, de perméabilité plus grande, destinée à former grille antiretour. On améliore les résultats en plaçant sur la couronne 16 une seconde série d'orifices équiangulaires 21 au niveau même de ces grilles 19-20.

Un allumeur par étincelles sur électrodes à haute tension est placé au niveau de la tête de combustion, avec son transformateur destiné à fournir l'énergie nécessaire à l'allumage. Des organes de surveillance de flamme comprennent une cellule photorésistante pour la flamme jaune ou une sonde à ionisation pour la flamme bleue.

Pour un débit de fuel-oil à pulvériser de l'ordre de 0,8 kg/h, on a déterminé que l'on obtenait de bons résultats avec les réglages suivants:

rapport air de combustion/air de pulvérisation 5

diamètre intérieur du corps 8 du pulvérisateur 20 mm longueur de ce corps 8 50 mm diamètre intérieur du conduit 7 qui débouche tangentiellement dans 8 10 mm convergent 12, angle au sommet 70e col 21 : longueur 1 mm diamètre 6,4 mm injecteur 11 : diamètre extérieur 6 mm diamètre d'orifice de sortie 0,9 mm distance orifice 11 - extrémité du canal 21 1,5 + 0,5 mm débit en m3/h de l'air de pulvérisation 1,7 à 1,8

pression de l'air de pulvérisation en mbars 2,5 à 3

diamètre des orifices 17 3 mm diamètre des orifices de la grille 19 3 mm perméabilité de la grille 19 30%

perméabilité delà grille 20 51 %

maille de la grille 20 1 mm

Dans ces conditions, le jet est résolu à une distance moyenne de 10 mm de la sortie du pulvérisateur 8. On peut vérifier que ce jet

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appartient bien à la zone de régime oscillant, et on détermine expérimentalement que ce jet se présente sous forme d'un cône creux d'angle au sommet voisin de 90 , avec des gouttelettes de diamètre moyen 430^.

La fig. 5 montre schématiquement un tel brûleur placé en partie inférieure du foyer d'une chaudière, par exemple du type à foyer borgne, qui permet d'assurer, d'une part, la circulation de l'air de combustion avant la vaporisation et, d'autre part, un chauffage complémentaire de cette enceinte de vaporisation. Sur cette figure, 27 désigne la porte foyer et 28 le centre de l'enceinte 13 où se projette par ailleurs l'axe du jet issu du pulvérisateur 8.

Le procédé et le dispositif décrits présentent de nombreux avantages par rapport aux brûleurs connus à ce jour. En fractionnant le combustible avant la vaporisation, on augmente la rapidité de cette vaporisation, car les gouttelettes formées ont une surface importante par rapport à leur volume. Cela permet de réduire la taille de l'enceinte de vaporisation et, par conséquent, l'énergie nécessaire pour porter cette enceinte puis la maintenir à la température de vaporisation.

La flamme obtenue, bleue ou jaune suivant l'agencement de la tête de combustion, se développe verticalement. En orientant différemment la tête de combustion et son arrivée d'air, et en modifiant la partie supérieure de l'enceinte de vaporisation, on peut 5 également obtenir une flamme horizontale.

Pour permettre la pulvérisation, la pression de refoulement du ventilateur doit être, comme déjà dit, de l'ordre de 2,5 à 3 mbars, ce qui correspond aux caractéristiques courantes des ventilateurs actuels pour cette application.

Cette pression offre l'avantage de favoriser le fonctionnement de ce type de brûleur sur des générateurs présentant un circuit d'échanges thermiques à pertes de charges assez élevées. En outre, ces brûleurs sont faciles à construire, à régler et à automatiser. Ils 15 ont une excellente combustion et un très bon rendement et, enfin, ils ne polluent pas.

On peut donc les utiliser avec succès comme brûleurs pour le chauffage domestique.

2 feuilles dessins

Claims

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1. Procédé de combustion de combustibles liquides, dans lequel avant la combustion on vaporise le combustible liquide, caractérisé en ce que, préalablement à cette vaporisation, on effectue une pulvérisation grossière du combustible au moyen d'air à une pression de l'ordre de 3 mbars.

2. Brûleur à vaporisation pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, comportant des moyens d'amenée d'air de combustion sous pression dans un conduit relié à la tête de combustion et des moyens d'amenée du combustible sous forme de gouttelettes ou de fines particules dans une enceinte de vaporisation elle-même connectée à la tête de combustion où le combustible arrive sous forme de vapeurs pour se mélanger à l'air de combustion, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amenée du combustible liquide sensiblement sans pression au niveau d'un convergent situé sur une génératrice de la paroi de l'enceinte de vaporisation, et des moyens pour amener un courant d'air tourbillonnaire de pulvérisation au niveau du col du convergent.

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REVENDICATIONS

3. Brûleur selon la revendication 2, dans lequel les moyens d'amenée d'air tourbillonnaire débouchent axialement sur une génératrice dans une chambre de pulvérisation cylindrique, caractérisé en ce que les moyens d'amenée du combustible liquide et d'air tourbillonnaire qui forment le pulvérisateur se composent d'une chambre cylindrique terminée par un convergent à col, l'injecteur de combustible et sa tuyauterie d'alimentation étant situés dans l'axe longitudinal de cette chambre.

4. Brûleur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le conduit d'amenée d'air de pulvérisation débouche tangentiel-lement dans la chambre de pulvérisation.

5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit d'amenée de l'air de pulvérisation est relié à la même source d'amenée d'air de combustion sousf pression.

6. Brûleur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'enceinte de vaporisation connectée à la tête de combustion se présente sous forme d'un tronc de cône relié par sa petite base à la tête de combustion, et en ce que l'axe longitudinal de l'injecteur coïncide sensiblement avec le centre de la base du cône.

7. Brûleur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la tête de combustion se trouve connectée par le bas à l'enceinte de vaporisation et sur sa périphérie au conduit d'amenée d'air de combustion, et en ce que le conduit d'amenée d'air de combustion débouche dans un plan sensiblement perpendiculaire au flux des vapeurs de combustible.

8. Brûleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tête de combustion a la forme d'un tronc de cône percée à sa périphérie d'orifices d'amenée d'air de combustion et présente à sa base une grille antiretour de flamme et une grille accroche-flamme.