EP0177423B1 - Buse de chalumeau à mélange interne - Google Patents

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EP0177423B1
EP0177423B1 EP85401917A EP85401917A EP0177423B1 EP 0177423 B1 EP0177423 B1 EP 0177423B1 EP 85401917 A EP85401917 A EP 85401917A EP 85401917 A EP85401917 A EP 85401917A EP 0177423 B1 EP0177423 B1 EP 0177423B1
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core
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blow
torch nozzle
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Denis Bolot
Francis Cuny
Didier Lasnier
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/52—Nozzles for torches; for blow-pipes

Definitions

  • the present invention relates to a torch nozzle with internal mixture, of the type comprising an outer annular casing and a core disposed in this casing, the casing and the core defining a series of channels each of which successively comprises, starting from the upstream, an injection zone adapted to be supplied with combustible gas and oxidizing gas, a mixing zone and then a homogenization zone, the outer envelope extending beyond the end of the core and forming at its downstream end a single outlet pipe for the mixture.
  • the main advantage of the second family torches lies in very high job security: in the event of reentry of the flame, this generally only affects one channel, and like the distance between the flame front and the injector is small, the volume of detonating mixture concerned is considerably lower than with a pre-mixing torch. In any case, even in the event of a general reentry of flame (which is improbable), the operator's hand, away from the nozzle by several tens of cm, risks absolutely nothing.
  • the object of the invention is to provide a monodard nozzle which, for a moderate total length, ensures the ejection under excellent conditions of a well homogeneous mixture, for flow rates up to several m 3 / h.
  • the invention relates to a torch nozzle of the aforementioned type, characterized in that in the homogenization zone, the channels have a significantly larger cross section than in the mixing zone and in that the channels open out in an annular space delimited between the outer envelope and the core and having a roughly constant section equal to the total section of the channels in the homogenization zone, this annular space in turn opening into a single passage with delimited decreasing section by the outer casing and the downstream end of which forms said single outlet pipe for the mixture.
  • the casing 1 has in its upstream part a thread 5 for connection to a torch head (not shown), then a hexagon 6 for clamping, then it has a convergent shape up to its downstream end.
  • the core 2 From a point located outside the envelope to the abscissa x 4 , the core 2 comprises a series of longitudinal grooves 12 regularly distributed over its periphery. It also comprises, from its upstream end face, a blind axial bore 13 and, from this, a series of conduits 14 each of which opens into a groove 12 at a certain distance x 1 from the plane of upstream end of envelope 1.
  • the grooves 12 then gradually disappear in the zone 9, which constitutes a transition zone where the channels open into an annular space 16 delimited between the core and the envelope from x 3 to x 5 .
  • the parabolic profile of the core 2 is chosen so that the section of the annular space 16 remains substantially constant and equal to the value S defined above.
  • the wall part 3 of the envelope 1 alone delimits a single passage 17 with decreasing circular section; from x 6 to X7, the wall part 4 delimits a single conduit 18 with a constant circular section which is connected to the passage 17.
  • the mixture crosses the passage 17, where it undergoes an acceleration until reaching, at the entry of the conduit 18, a speed sufficient to balance, at the exit of the nozzle, the speed of deflagration of the mixture.
  • the nose 10 of the core is modified so as to facilitate its realization: instead of having a rigorously parabolic profile, this nose consists of an upstream truncated cone 19 followed by a cone 20 more strongly convergent, which ends in the same rounded point 11 as above.
  • connection circle of the truncated cone 19 and the cone 20 is located on the abscissa x s , intermediate between x 4 and x 5 , for which the gas passage section would be maximum if the nose 10 was a single cone 21 s extending from x 4 to X5 , as shown in phantom in Figure 3.
  • the Applicant has successfully tested an oxy-acetylene nozzle with an internal mixture in accordance with the variant of FIG. 3, for acetylene flow rates up to 3 m 3 / h. For oxygen / acetylene consumption ratios close to stoichiometry, no sensitivity to “injector use” was observed.

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Description

  • La présente invention est relative à une buse de chalumeau à mélange interne, du type comprenant une enveloppe annulaire extérieure et un noyau disposé dans cette enveloppe, l'enveloppe et le noyau définissant une série de canaux dont chacun comporte successivement, à partir de l'amont, une zone d'injection adaptée pour être alimentée en gaz combustible et en gaz comburant, une zone de mélange puis une zone d'homogénéisation l'enveloppe extérieure se prolongeant au-delà de l'extrémité du noyau et formant à son extrémité aval un conduit unique de sortie du mélange.
  • On sait qu'il existe deux familles principales de chalumeaux: les chalumeaux à mélange global préalable et les chalumeaux à mélange dans la buse:
    • - dans les premiers, le mélange combustible- comburant est effectué très en amont de la buse, à plusieurs dizaines de centimètres de l'orifice de sortie, lequel délivre un dard unique. Ces chalumeaux offrent un avantage de simplicité de réalisation, notamment en ce qui concerne la buse, qui est une pièce vulnérable. Par contre, en cas de rentrée de flamme (initiée par exemple par une obstruction partielle de l'orifice de sortie de la buse), le front de flamme pénètre à l'intérieur du chalumeau et peut se stabiliser au niveau de l'injecteur. C'est le phénomène dit de «pris à l'injecteur», susceptible de détruire le chalumeau et, dans le cas d'un appareil manuel, de brûler la main de l'opérateur;
    • - dans les seconds, l'injection, le mélange et l'homogénéisation du mélange sont regroupés à l'intérieur de la buse. Comme il est difficile de mélanger et d'homogénéiser des débits supérieurs à 500 I/h sur une longueur aussi faible que celle d'une buse (quelques dizaines de mm), ce principe a conduit, pour atteindre plusieurs m3/h, à fractionner le débit total en le répartissant dans plusieurs canaux fraisés identiques régulièrement répartis autour de la buse.
  • L'avantage essentiel des chalumeaux de la seconde famille réside dans une très grande sécurité d'emploi: en cas de rentrée de flamme, celle-ci n'intéresse généralement qu'un seul canal, et comme la distance entre le front de flamme et l'injecteur est faible, le volume concerné de mélange détonant est considérablement plus faible qu'avec un chalumeau à mélange préalable. De toute manière, même en cas de rentrée de flamme généralisée (ce qui est improbable), la main de l'opérateur, éloignée de la buse de plusieurs dizaines de cm, ne risque absolument rien.
  • Dans la plupart des buses connues à mélange interne, le principe de division du débit a conduit à réaliser des canaux s'étendant jusqu'à l'extrémité avant de la buse, de sorte qu'il s'agit de buses multidards, ce qui exclut certaines applications, par exemple la chaude de retrait, qui nécessitent un chauffage ponctuel. Par ailleurs, le brevet US 1 940 343 propose une buse monodard à mélange interne, qui est du type indiqué plus haut. Cependant, cette buse présente certains inconvénients, notamment en ce qui concerne la conception de la zone d'homogénéisation et sa liaison avec le conduit de sortie du mélange.
  • L'invention a pour but de fournir une buse monodard qui, pour une longueur totale modérée, assure l'éjection dans d'excellentes conditions d'un mélange bien homogène, pour des débits pouvant atteindre plusieurs m3/h.
  • A cet effet, l'invention a pour objet une buse de chalumeau du type précité, caractérisé en ce que dans la zone d'homogénéisation, les canaux ont une section nettement plus forte que dans la zone de mélange et en ce que les canaux débouchent dans un espace annulaire délimité entre l'enveloppe extérieure et le noyau et ayant une section à peu près constante et égale à la section totale des canaux dans la zone d'homogénéisation cet espace annulaire débouchant à son tour dans un passage unique à section décroissante délimité par l'enveloppe extérieure et dont l'extrémité aval forme ledit conduit unique de sortie du mélange.
  • Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel:
    • - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une buse de chalumeau conforme à l'invention;
    • - la figure 2 est une demi-vue partielle en coupe longitudinale illustrant un détail de réalisation de cette buse; et
    • - la figure 3 est une demi-vue partielle en coupe longitudinale illustrant une variante.
  • La buse de chalumeau représentée à la figure 1 est constituée de deux éléments: une enveloppe extérieure 1 et un noyau ou «carotte» intérieur. Elle est pour l'essentiel de révolution autour d'un axe X-X; pour la commodité de la déscription, on supposera que cet axe est horizontal et que les gaz circulent de l'extrémité droite (extrémité amont) à l'extrémité gauche (extrémité aval) de la buse; on se référera dans la suite à des abscisses x comptées de droite à gauche le long de l'axe X-X, d'une origine (x=0) correspondant au plan d'extrémité amont de l'enveloppe 1 à une valeur x = X7 correspondant à son plan d'extrémité aval.
  • La paroi intérieure de l'enveloppe 1 comporte deux parties: sur l'essentiel de sa longueur de x = 0 à x6, une partie 3 tronconique convergente, puis une partie cylindrique 4 s'étendant de x6 à x7-
  • Extérieurement l'enveloppe 1 comporte dans sa partie amont un filetage 5 de raccordement à une tête de chalumeau (non représentée), puis un six- pans 6 de serrage, puis elle présente une forme convergente jusqu'à son extrémité aval.
  • Le noyau 2 a la forme générale d'une aiguille conique de même angle au sommet que la partie 3 de l'évidement de l'enveloppe, ce qui lui permet de se positionner et de se fixer dans cette dernière par simple coincement. Plus précisément, ce noyau comporte, d'amont en aval:
    • - une partie divergente 7, extérieure à l'enveloppe 1, adaptée pour s'appliquer de façon étanche contre une portée conjuguée de la tête de chalumeau;
    • -jusqu'à l'absicisse x3, située à peu près à mi- longueur de la partie 3 de l'enveloppe, une partie tronconique 8 convergente conjuguée de cette partie 3;
    • - de x3 à x4, une courte zone tronconique 9 plus fortement convergente; et
    • - de x4 à X5, un nez 10 d'allure parabolique qui se termine par une pointe arrondie 11, par exemple suivant un rayon de 0,3 mm, comme on le voit mieux à la figure 2.
  • D'un point situé à l'extérieur de l'enveloppe jusqu'à l'abscisse x4, le noyau 2 comporte une série de rainures longitudinales 12 régulièrement réparties sur sa périphérie. Il comporte aussi, à partir de sa face d'extrémité amont, un perçage axial borgne 13 et, à partir de celui-ci, une série de conduits 14 dont chacun débouche dans une rainure 12 à une certaine distance x1 du plan d'extrémité amont de l'enveloppe 1.
  • A partir de l'abscisse x = 0, les rainures 12 délimitent avec la partie de paroi 3 de l'enveloppe autant de canaux 15 dont la section de passage, définie par la profondeur des rainures, varie: cette section, après avoir augmenté de x=0 à x1 (injection du combustible), est faible de x1 à x2, puis nettement plus grande de x2 à x3. Les rainures 12 disparaissent ensuite progressivement dans la zone 9, qui constitue une zone de transition où les canaux débouchent dans un espace annulaire 16 délimité entre le noyau et l'enveloppe de x3 à x5.
  • Si s désigne la section de chaque canal 15 à à l'abscisse x3, n le nombre de canaux et S la section de l'espace annulaire 16 à l'abscisse x4, on a sensiblement S = n.s, à ± 10% près.
  • De x4 à x5, le profil parabolique du noyau 2 est choisi de manière que la section de l'espace annulaire 16 reste sensiblement constante et égale à la valeur S définie ci-dessus.
  • De x5 à x6, la partie de paroi 3 de l'enveloppe 1 délimite à elle seule un passage unique 17 à section circulaire décroissante; de x6 à X7 la partie de paroi 4 délimite un conduit unique 18 à section circulaire constante qui se raccorde au passage 17.
  • En fonctionnement, la buse ainsi décrite est fixée sur la tête d'un chalumeau; du gaz combustible, par exemple de l'acétylène, est envoyé dans le perçage 13 du noyau, et de l'oxygène est injecté dans l'extrémité amont des rainures 12. Il se produit alors dans chaque canal 15 les phénomènes suivants:
    • - sous l'effet de sa propre pression d'alimentation et de l'aspiration créée par l'oxygène, le gaz combustible pénètre dans le conduit 14 et se jette dans le canal 15 à l'abscisse x1;
    • - de x1 à x2, une vitesse élevée de la veine gazeuse (faible section de passage) favorise la création de turbulences propices à un brassage des filets d'oxygène et de gaz combustible. Cette zone est une zone de mélange des deux gaz; et
    • - de X2 à x3, l'augmentation considérable de la section offerte au passage du gaz ralentit la vitesse du mélange afin de lui donner le temps de s'homogénéiser. Cette zone constitue une zone d'homogénéisation primaire du mélange.
  • Les veines gazeuses se rejoignent dans la zone de transition 9 puis s'écoulent dans l'espace annulaire 16. La section de cet espace étant constante, il s'y produit simplement une poursuite de l'homogénéisation, c'est-à-dire que l'espace 16 constitue une zone d'homogénéisation secondaire.
  • Ensuite, le mélange traverse le passage 17, où il subit une accélération jusqu'à atteindre, à l'entrée du conduit 18, une vitesse suffisante pour équilibrer, à la sortie de la buse, la vitesse de déflagration du mélange.
  • Dans la variante de la figure 3, le nez 10 du noyau est modifié de façon à en faciliter la réalisation: au lieu d'avoir un profil rigoureusement parabolique, ce nez est constitué par un tronc de cône amont 19 suivi d'un cône 20 plus fortement convergent, lequel se termine par la même pointe arrondie 11 que précédemment.
  • Le cercle de raccordement du tronc de cône 19 et du cône 20 est situé à l'abscisse xs, intermédiaire entre x4 et x5, pour laquelle la section de passage du gaz serait maximale si le nez 10 était un cône unique 21 s'étendant de x4 à X5, comme représenté en trait mixte à la figure 3.
  • Avec une telle réalisation du nez 10, on constate que l'on a encore: S (X4) = S (X5) = S (x8) _ n.s à ± 10% près, de sorte que le comportement du mélange dans l'espace 16 reste pratiquement le même qu'avec la configuration des figures 1 et 2.
  • La demanderesse a testé avec succès une buse oxy-acétylénique à mélange interne conforme à la variante de la figure 3, pour des débits d'acétylène allant jusqu'à 3 m3/h. Pour des rapports de consommation osygène/acétylène voisins de la stœ- chiométrie, aucune sensiblité à la «prise à l'injecteur» n'a été constatée.

Claims (8)

1. Buse de chalumeau à mélange interne, du type comprenant une enveloppe annulaire extérieure (1 ) et un noyau (2) disposé dans cette enveloppe, l'enveloppe et le noyau définissant une série de canaux (15) dont chacun comporte successivement, à partir de l'amont, une zone d'injection adaptée pour être alimentée en gaz combustible et en gaz comburant, une zone de mélange puis une zone d'homogénéisation, l'enveloppe extérieure (1) se prolongeant au-delà de l'extrémité du noyau (2) et formant à son extrémité aval un conduit unique (18) de sortie du mélange, cette buse étant caractérisée en ce que dans la zone d'homogénéisation (X2 à x5), les canaux ont une section nettement plus forte que dans la zone de mélange (x1 à x2) et en ce que les canaux (15) débouchent dans un espace annulaire (16) délimité entre l'enveloppe extérieure (1) et le noyau (2) et ayant une section (S) à peu près constante et égale à la section totale (n.s) des canaux (15) dans la zone d'homogénéisation, cet espace annulaire débouchant à son tour dans un passage unique (17, 18) à section décroissante délimité par l'enveloppe extérieure (1 ) et dont l'extrémité aval forme ledit conduit unique (18) de sortie du mélange.
2. Buse de chalumeau suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, dans la région dudit espace annulaire (16), l'enveloppe extérieure (1) a un profil intérieur (3) tronconique et le noyau (2) a un profil (10) à peu près parabolique.
3. Buse de chalumeau suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, dans la région dudit espace annulaire (16), l'enveloppe extérieure (1 ) an un profil intérieur (3) tronconique et le noyau (2) a un profil constitué d'un tronc de cône amont (19) suivi d'un cône aval (20) de plus grand angle au sommet.
4. Buse de chalumeau suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le raccordement entre le tronc de cône (19) et le cône (20) se trouve à l'emplacement (xs) où la section de passage serait maximale si le tronc de cône et le cône étaient remplacés par un cône unique (21 ).
5. Buse de chalumeau suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'entre l'extrémité (11) du noyau (2) et ledit conduit unique de sortie (18), ledit passage unique (17) présente une section circulaire.
6. Buse de chalumeau suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit conduit unique de sortie (18) est cylindrique.
7. Buse de chalumeau suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure (1 ) à un profil intérieur (3) tronconique jusqu'audit conduit unique de sortie (1).
8. Buse de chalumeau suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'extrémité (11) du noyau (2) forme une pointe arrondie.
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