EP0270424B1 - Dispositif d'allumage pour brûleur à haute vitesse de type à buse froide et brûleur utilisant ledit dispositif - Google Patents

Dispositif d'allumage pour brûleur à haute vitesse de type à buse froide et brûleur utilisant ledit dispositif Download PDF

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EP0270424B1
EP0270424B1 EP87402535A EP87402535A EP0270424B1 EP 0270424 B1 EP0270424 B1 EP 0270424B1 EP 87402535 A EP87402535 A EP 87402535A EP 87402535 A EP87402535 A EP 87402535A EP 0270424 B1 EP0270424 B1 EP 0270424B1
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chamber
burner
ignition
bore
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/08—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with axial outlets at the burner head
    • 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
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks
    • F23Q3/008—Structurally associated with fluid-fuel burners

Definitions

  • the present invention relates to an ignition device for burning at high speed, of the cold nozzle type.
  • Such a device is known from FR-A 2 520 090.
  • the start of the flame inside the ignition chamber is generated by the jets of gas mixture produced by the central perforations of the grate which undergo a phenomenon of relaxation and slow down.
  • the incipient flame of a substantially parabolic shape occupies only a fraction of this chamber. It emerges from the burner at high speed passing between the deflectors to then propagate in the open air, generating, beyond its front edge, a flow of hot air propagating axially with respect to the burner.
  • the cold nozzle effect is then due to the interaction of the lateral parts of the grid, the walls of the ignition chamber and, to a lesser extent, the deflectors.
  • the lateral parts of the grid form, with said walls, wedge-shaped spaces which. constitute dead spaces in which the flame cannot propagate.
  • These dead spaces are traversed by the jets of gas mixture originating from the perforations of the lateral parts of the grid which then abut and flow in a gas flow on the walls of the ignition chamber and on the deflectors.
  • This gaseous flow, not ignited therefore ensures thermal insulation and continuous cooling of the walls which cannot therefore heat up.
  • This phenomenon also extends to the deflectors which are therefore not licked by the flame and which also do not undergo heating.
  • the tubular housing of the spark plug forms a cavity generating a turbulent regime of the gas flow emitted by the perforations in the grid. Therefore, a permanent self-sustaining combustion of the gas flow can be established at this cavity, causing the wall of the ignition chamber to heat up, which is contrary to the desired objective.
  • the invention therefore more particularly aims to eliminate these drawbacks. It therefore proposes a burner of the aforementioned type characterized in that the ignition chamber in which an ignition electrode extends is an ignition cavity external to the ignition chamber, and communicates with the latter by means of a drilling.
  • this orifice as well as those of the ignition chamber are provided in such a way that combustion of the gaseous mixture cannot permanently develop inside the ignition chamber.
  • the ignition chamber can be formed by a blind cylindrical bore made in an external metal part fixed to the wall of the ignition chamber.
  • This bore axially parallel to the longitudinal axis of the burner, is then closed, on the side opposite the bottom by an electrode holder made of electrically insulating material, which delimits an ignition cavity in which the electrode extends axially.
  • This cavity is also connected to the ignition chamber by means of a transverse bore communicating with an orifice in the wall of said chamber.
  • the fuel mixture injected into the adaptation chamber 5 forms, through the perforations of the grid 16, a succession of jets flowing at high speed (of the order of 2400 m / min).
  • these jets are oriented axially (in the axis of the tubing), while in the lateral parts, they are substantially radial and abut on the walls 12, 13 and on the deflectors 17 , 18.
  • the flame F propagates towards the outside of the ignition chamber with a substantially straight parabolic axial cross-section shape, without licking the walls of the chamber 6 and the deflectors 17,18.
  • the lateral parts of the grid form with the walls 12, 13 wedge-shaped spaces which constitute dead spaces in which the flame cannot propagate.
  • the ignition device comprises an ignition chamber 20 consisting of a blind bore 20 'made in a room.
  • a cylindrical electrode holder 22 made of electrically insulating material from which coaxially leaves an ignition electrode 23 which extends in the ignition chamber.
  • This electrode 23 is, moreover, connected to an electric generator, for example a piezoelectric generator, by means of an electric cable 23 '.
  • the ignition chamber 20 communicates with the ignition chamber 6 by means of a transverse bore 24 made in the part 21, which corresponds with a bore 25 made in the wall 13 of the ignition chamber 6.
  • the holes 24 and 25 are dimensioned so as to form an access passage for the gas mixture in the ignition chamber 20.
  • the emission of a spark by the electrode 23 causes an abrupt combustion of the gas mixture in the ignition chamber 20.
  • the combustion gases are then ejected by the passage formed by the bores 24, 25 and come , consequently, ignite the gas mixture flow which leaves the central perforations of the grid 16.
  • This passage 24, 25 must necessarily have a reduced section so as to avoid any possibility of turbulence of the gas mixture in its vicinity which would lead to the establishment of permanent combustion.
  • the ignition device does not cause self-sustaining parasitic combustion, capable of causing heating of the burner.

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Description

  • La présente invention a pour objet un dispositif d'allumage pour brûler à haute vitesse, de type à buse froide. Un tel dispositif est connu du FR-A 2 520 090.
  • Elle concerne plus particulièrement un brûleur de ce genre faisant intervenir:
    • - un injecteur de type classique formé par la combinaison d'une buse d'injection de gaz combustible sous pression, par exemple de propane, d'un conduit mélangeur dans lequel débite ladite buse, et d'orifices débouchant à l'air libre, grâce auxquels l'air est aspiré dans le conduit par un effet venturi, est mélangé au gaz combustible et est accéléré dans le conduit pour former un flux de mélange gazeux à grande vitesse;
    • - une chambre d'adaptation, dans laquelle débouche l'injecteur, cette chambre d'adaptation pouvant présenter une forme évasée se terminant par un orifice muni d'une grille bombée vers l'extérieur;
    • - une chambre d'ignition, dans laquelle s'amorce la combustion du mélange gazeux qui ressort à grande vitesse des perforations de la grille, cette chambre d'ignition étant formée par un élément tubulaire prolongeant la chambre d'adaptation;
    • - des moyens de déflexion équipant l'ouverture extérieure de la chambre d'ignition et comprenant deux déflecteurs orientés de manière à converger l'un vers l'autre à partir de deux zones opposées de ladite ouverture; et
    • - une chambre d'allumage équipée de moyens permettant d'amorcer la combustion du flux de mélange gazeux.
  • Dans ce type de brûleur, le début de la flamme à l'intérieur de la chambre d'ignition est engendré par les jets de mélange gazeux produits par les perforations centrales de la grille qui subissent un phénomène de détente et se ralentissent. A l'intérieur de la chambre d'ignition, la flamme naissante de forme sensiblement parabolique, n'occupe qu'une fraction de cette chambre. Elle ressort du brûleur à grande vitesse en passant entre les déflecteurs pour se propager ensuite à l'air libre en engendrant, au-delà de son front avant, un flux d'air chaud se propageant axialement par rapport au brûleur.
  • L'effet de buse froide est alors dû à l'interaction des parties latérales de la grille, des parois de la chambre d'ignition et, dans une moindre mesure, des déflecteurs.
  • En effet, les parties latérales de la grille forment, avec lesdites parois, des espaces en forme de coin qui. constituent des espaces morts dans lesquels la flamme ne peut pas se propager. Ces espaces morts sont parcourus par les jets de mélange gazeux provenant des perforations des parties latérales de la grille qui viennent ensuite buter et s'écoulent en un flux gazeux sur les parois de la chambre d'ignition et sur les déflecteurs. Ce flux gazeux, non enflammé, assure donc un isolement thermique et un refroidissement continu des parois qui ne peuvent donc pas s'échauffer. Ce phénomène s'étend en outre aux déflecteurs qui ne sont donc pas léchés par la flamme et qui ne subissent pas eux non plus d'échauffement.
  • Pour effectuer l'allumage de la flamme, on a également proposé d'utiliser une bougie d'allumage montée dans un logement tubulaire débouchant dans la chambre d'ignition grâce à un orifice prévu dans un emplacement de la paroi de ladite chambre situé au droit de la zone latérale de la grille.
  • Toutefois, on constate à l'usage que cette solution présente un grave inconvénient. En effet, le logement tubulaire de la bougie forme une cavité engendrant un régime turbulent du flux gazeux émis par les perforations de la grille. De ce fait, une combustion permanente autoentretenue du flux gazeux peut s'établir au niveau de cette cavité, causant un échauffement de la paroi de la chambre d'ignition, ce qui est contraire au but recherché.
  • L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients. Elle propose donc un brûleur du type susdit caractérisé en ce que la chambre d'allumage dans laquelle s'étend une électrode d'allumage est une cavité d'allumage extérieure à la chambre d'ignition, et communique avec celle-ci grâce à un perçage.
  • En outre, les dimensions de cet orifice ainsi que celles de la chambre d'allumage sont prévues de manière à ce qu'une combustion du mélange gazeux ne puisse pas se développer en permanence à l'intérieur de la chambre d'allumage.
  • Avantageusement, la chambre d'allumage pourra être formée par un perçage cylindrique borgne réalisé dans une pièce métallique extérieure fixée à la paroi de la chambre d'ignition. Ce perçage, axé parallèlement à l'axe longitudinal du brûleur, est alors refermé, du côté opposé au fond par un porte-électrode en matière électriquement isolante, qui délimite une cavité d'allumage dans laquelle s'étend axialement l'électrode. Cette cavité est par ailleurs reliée à la chambre d'ignition grâce à un perçage transversal communiquant avec un orifice de la paroi de ladite chambre.
  • Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • La figure 1 est une coupe axiale schématique d'un brûleur à grande vitesse de type à buse froide selon l'invention ;
    • La figure 2 est une vue à plus grande échelle de la tête du brûleur représenté figure 1 ;
    • La figure 3 est une vue en perspective schématique de la tête de brûleur représenté figure 2 ;
    • La figure 4 est une vue partielle schématique de la paroi intérieure de la chambre d'ignition, munie de l'orifice d'allumage.
  • Tel que représenté sur la figure 1, le brûleur se compose plus particulièrement :
    • - d'un injecteur 1 de type classique comprenant :
    • . une buse 2 raccordée à une source de gaz inflammable (par exemple une bouteille de propane) à une pression d'environ 3 à 4 bars,
    • . une tubulure 3 dans laquelle ledit gaz sous pression est injecté, et
    • . au moins une ouverture de passage d'air 4 située au niveau de la jonction entre ladite buse 2 et ladite tubulure 3 ;

    cet ensemble forme une pompe à jet qui entraîne l'air provenant de l'ouverture 4 et engendre à l'entrée de la tubulure 3 un flux de mélange gazeux à haute vitesse, de l'ordre de 12660 mètres/minute ;
    • - d'une chambre d'adaptation 5 dans laquelle débouche la tubulure 3, cette chambre 5 présentant une forme tubulaire évasée qui prolonge la section de sortie de la tubulure 3 et comprend deux parois très légèrement convergentes 7, 8, de largeur croissante, et deux parois latérales divergentes 9, 10 (figure 3), de largeur légèrement décroissante, de sorte que la section droite de cette chambre d'adaptation 5 croît à partir de son raccordement à la tubulure 3 ;
    • - d'une chambre d'ignition 6 formée par une portion tubulaire 11, de forme parallélépipédique, qui comprend deux faces parallèles 12, 13, relativement larges qui s'étendent dans le prolongement des deux parois convergentes 7, 8 de la chambre d'adaptation 5, et deux faces latérales parallèles 14, 15, de faible largeur qui s'étendent dans le prolongement des deux parois divergentes 9, 10 de ladite chambre 5;
    • - d'une double grille de diffusion 16 qui consiste en deux pièces de tôle perforée de forme hémicylindrique, axée perpendiculairement à l'axe de la tubulure 3 et parallèlement aux faces 12 et 13, cette double grille qui est fixée au brûleur par ses deux bordures longitudinales au niveau de la zone de raccordement entre les chambres 5 et 6, forme une cloison bombée dont la concavité est orientée vers l'intérieur de la chambre d'adaptation 5 et dont la partie centrale qui ne présente qu'une épaisseur de grille est située à proximité de l'orifice extérieur de la chambre d'ignition 6 ;
    • - de deux déflecteurs 17, 18 prolongeant respectivement les deux faces 12, 13 en formant avec celles-ci un angle d'environ 45° ;
    • - d'une languette 26, destinée à provoquer un ralentissement du flux gazeux au droit de l'ouverture 24 du porte-électrode 22.
  • Dans le brûleur qui vient d'être décrit, le mélange combustible injecté dans là chambre d'adaptation 5 forme, au travers des perforations de la grille 16, une succession de jets s'écoulant à grande vitesse (de l'ordre de 2400 m/mn).
  • Dans la partie centrale O de la grille 16, ces jets sont orientés axialement (dans l'axe de la tubulure), tandis que dans les parties latérales, ils sont sensiblement radiaux et viennent buter sur les parois 12, 13 et sur les déflecteurs 17, 18.
  • On constate que la vitesse d'écoulement du mélange gazeux formée par les jets produits dans la région centrale O de la grille 16 subit une décélération (la vitesse s'abaissant rapidement jusqu'à 1600 m/mn). Ceci provient en partie du fait qu'au sortir des perforations centrales de la grille 16, il se produit une détente du mélange combustible, cette détente étant favorisée par la distribution en jets du flux gazeux. Cette diminution de la vitesse d'écoulement permet à la combustion de s'amorcer à une légère distance de la grille 16.
  • A partir du point d'amorçage, la flamme F se propage vers l'extérieur de la chambre d'ignition avec une forme de section droite axiale sensiblement parabolique, sans lécher les parois de la chambre 6 et les déflecteurs 17,18.
  • En effet, comme précédemment mentionné, les parties latérales de la grille forment avec la parois 12, 13 des espaces en forme de coin qui constituent des espaces morts dans lesquels la flamme ne peut pas se propager.
  • Ces espaces morts sont parcourus par les jets de mélange gazeux provenant des perforations des parties latérales de la grille qui viennent ensuite buter et s'écoulent en un flux gazeux sur les parois 12, 13 de la chambre d'ignition 6 et sur les déflecteurs 17,18.
  • Les parois 12, 13 de la chambre d'ignition 6 et les déflecteurs 17, 18 qui ne sont donc pas léchés par la flamme F et sont ventilés par le flux de mélange combustible ne s'échauffent donc pas et sont au contraire constamment refroidis.
  • Ceci explique la raison pour laquelle le brûleur ne subit aucune élévation importante de température (brûleur à buse froide).
  • Dans cet exemple, le dispositif d'allumage comprend une chambre d'allumage 20 consistant en un perçage borgne 20' pratiqué dans une pièce. métallique 21 de forme parallélépipédique, fixée sur la paroi 13 de la chambre d'ignition 6.
  • Dans ce perçage vient s'engager un porte-électrode cylindrique 22 en matériau électriquement isolant duquel part, coaxialement, une électrode d'allumage 23 qui s'étend dans la chambre d'allumage. Cette électrode 23 est, par ailleurs, reliée à un générateur électrique, par exemple un générateur pié- zoélectrique, au moyen d'un câble électrique 23'.
  • La chambre d'allumage 20 communique avec la chambre d'ignition 6 au moyen d'un perçage transversal 24 pratiqué dans la pièce 21, qui correspond avec un perçage 25 réalisé dans la paroi 13 de la chambre d'ignition 6.
  • Les perçages 24 et 25 sont dimensionnés de manière à former un passage d'accès du mélange gazeux dans la chambre d'allumage 20.
  • De ce fait, l'émission d'une étincelle par l'électrode 23 provoque une combustion brutale du mélange gazeux dans la chambre d'allumage 20. Les gaz en combustion sont alors éjectés par le passage formé par les perçages 24, 25 et viennent, en conséquence, allumer le flux de mélange gazeux qui sort des perforations centrales de la grille 16.
  • Ce passage 24, 25 doit nécessairement présenter une section réduite de manière à éviter toute possibilité de turbulences du mélange gazeux à son voisinage qui conduirait à l'établissement d'une combustion permanente.
  • Ainsi, dans cet exemple, on a prévu un diamètre du perçage 24 de l'ordre de 4 mm, pour un diamètre de la chambre d'allumage 20 de 8 mm. Il convient de noter toutefois que des diamètres compris entre 3 et 8 mm pourraient éventuellement convenir.
  • De même, il est possible de prévoir dans la paroi 13 des perçages de section carrée ou rectangulaire avec des côtés présentant des longueurs comprises dans la gamme des dimensions prévues pour les diamètres précédemment indiqués.
  • Il s'avère que, grâce aux dispositions précédemment indiquées, le dispositif d'allumage ne provoque pas de combustion parasite autoentretenue, susceptible d'engendrer un échauffement du brûleur.

Claims (4)

1. Brûleur à haute vitesse, de type à buse froide, ce brûleur faisant intervenir:
- un injecteur (1) de type classique formé par la combinaison d'une buse (2) d'injection de gaz combustible sous pression, d'un conduit mélangeur (3) dans lequel débite ladite buse (2), et d'orifices (4) débouchant à l'air libre, grâce auxquels l'air est aspiré dans le conduit (3) par un effet venturi, est mélangé au gaz combustible et est accéléré dans le conduit (3) pour former un flux de mélange gazeux à grande vitesse;
- une chambre d'adaptation (5), dans laquelle débouche l'injecteur (1) et se terminant par un orifice muni d'une grille (16) bombée vers l'extérieur;
- une chambre d'ignition (6), dans laquelle s'amorce la combustion du mélange gazeux qui ressort à grande vitesse des perforations de la grille (16), cette chambre d'ignition (6) étant formée par un élément tubulaire prolongeant la chambre d'adaptation (5),
- des moyens de déflexion équipant l'ouverture de la chambre d'ignition et comprenant deux déflecteurs (17, 18) orientés de manière à converger l'un vers l'autre à partir de deux zones opposées de ladite ouverture; et
- une chambre d'allumage équipée de moyens permettant d'amorcer la combustion du flux de mélange gazeux,

caractérisé en ce que la chambre d'allumage (20) dans laquelle s'étend une électrode d'allumage (23) est une cavité extérieure à la chambre d'ignition (6), et communique avec celle-ci grâce à un perçage (25) prévu dans la paroi (13) de la chambre d'ignition.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'allumage (20) est formée par un perçage cylindrique borgne (20') réalisé dans une pièce métallique extérieure (21) fixée à la paroi (13) de la chambre d'ignition (6), et en ce que ce perçage (20'), axé parallèlement à l'axe longitudinal du brûleur, est refermé du côté opposé à son fond par un porte-électrode (22) en matière électriquement isolante, qui délimite une cavité dans laquelle s'étend axialement l'électrode (23).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la susdite cavité (20) est reliée à la chambre d'ignition (6) grâce à un perçage transversal (24) communiquant avec un orifice (25) de la paroi de ladite chambre d'ignition (6).
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit orifice de passage (24, 25) présente au moins partiellement une section carrée ou rectangulaire.
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