EP0291372B1

EP0291372B1 - Brûleur à gaz, de type à buse froide

Info

Publication number: EP0291372B1
Application number: EP88400962A
Authority: EP
Inventors: Claude Courrege
Original assignee: Sefmat
Current assignee: Sefmat
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1993-10-27
Anticipated expiration: 2008-04-20
Also published as: DE291372T1; DE3885150D1; FR2615271B1; FR2615271A1; JPS63286606A; JPH0467089B2; EP0291372A1; US4886446A; DE3885150T2

Description

La présente invention concerne un brûleur à gaz, de type à buse froide, apte à effectuer une combustion externe d'un mélange gazeux à grande vitesse.
Elle s'applique notamment mais non exclusivement au chauffage à basse température de films de matière plastique, par exemple de films de polyéthylène en vue de leur rétraction, au moyen d'un flux gazeux provenant de la combustion d'un gaz combustible tel que du propane et de l'air.
Pour satisfaire à ce type d'application, le brûleur doit donc être conçu de manière à produire un flux gazeux présentant une température de l'ordre de 120° à 540°C à une distance prédéterminée du brûleur (distance à laquelle le film plastique à traiter doit être disposé).
A cette distance, la température doit être relativement homogène et le flux gazeux exempt de matière en combustion, si l'on veut éviter toute possibilité de brûlure, de roussissement et de boursouflure du film.
En vue de parvenir à ce résultat, on a déjà proposé, par le brevet EP-A-6 048, un brûleur comprenant un dispositif d'injection apte à produire un flux de mélange gazeux combustible à haute vitesse et à injecter ce flux dans une tête de brûleur de forme tubulaire comportant successivement :

Une chambre de récupération de pression, délimitée par deux parois convergentes et par deux parois divergentes, cette chambre de récupération de pression présentant, dans le plan de symétrie de la tête, un profil divergent et à l'intérieur duquel le mélange gazeux provenant du disposit d'injection se développe selon une configuration en éventail,
une chambre d'ignition présentant deux parois planes opposées sensiblement prallèles audit plan de symétrie,
deux déflecteurs qui prolongent respectivement les deuxdites parois et qui convergent l'un vers l'autre, ces deux déflecteurs présentant deux bordures antérieures parallèles formant entre elles un passage de largeur réduite, et
une grille de diffusion de forme concave formant à l'intérieur de la tête du brûleur une cloison bombée qui sépare la chambre de récupération de pression et la chambre d'ignition, la concavité de cette cloison étant orientée vers l'intérieur de la chambre de récupération de pression, de manière à ce que les bordures latérales de cette grille forment, avec les deux parois parallèles, des couloirs d'écoulement du flux gazeux dans lesquels la combustion ne peut pas s établir.

Il s'avère que, grâce à la structure précédemment décrite, la tête de brûleur ne se trouve pas léchée par la flamme et ne subit donc pas d'échauffement important.
Toutefois, contrairement à ce qui était prévisible, la flamme produite ne présente pas un front antérieur rigoureusement rectiligne et homogène.
En fait, on constate à l'usage que le front antérieur de cette flamme présente dans sa région centrale un front sensiblement rectiligne bordé, latéralement, par deux avancées respectives en forme de corne.
Il est clair que la présence de ces deux cornes latérales empêche de tirer le meileur parti des avantages que présente par ailleurs ce type de brûleur.
Un premier but de l'invention est donc de supprimer cet inconvénient.
Par ailleurs, il s'avère que les brûleurs de ce genre sont le plus couramment utilisés en tant que "brûleurs à main" et comprennent, en conséquence, une poignée que l'opérateur tient à la main.
Lors de son travail, celui-ci doit effectuer un balayage du film à traiter en tenant de brûleur orienté de manière à maintenir le front rectiligne de la flamme parallèle à la zone du film en traitement, et ce, en vue d'obtenir un chauffage homogène de cette zone.
Or, ce parallélisme est délicat à acquérir puis à maintenir.
En conséquence, il est difficile d'éviter des orientations inopportunes qui induisent des hétérogénéités de température risquant de détériorer le film.
L'invention a donc également pour but de supprimer cet inconvénient.
Pour parvenir à ces résultats, l'invention propose un brûleur du type susdit, ledit brûleur étant caractérisé en ce que les bordures antérieures des deux parois convergentes de la chambre de récupération de pression, les bordures antérieures des susdites parois planes opposées de la chambre d'ignition sur lesquelles se raccordent les déflecteurs, les bordures antérieures de ces déflecteurs et la grille de diffusion présentent des formes circulaires sensiblement coaxiales, de manière à obtenir, au-delà des bordures antérieures des déflecteurs, une flamme en forme d'éventail. Les essais effectués sur ce brûleur montrent que l'on obtient une flamme dont le front antérieur présente une forme circulaire exempte de cornes.
En outre, en choisissant un rayon de courbure approprié des susdites bordures et de la grille, il devient possible de faire en sorte qu'une variation d'orientation du brûleur, n'entraîne pas de modification du chauffage effectué sur la zone du film en traitement.
Un mode d'exécution 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 illustrant la structure d'un brûleur selon l'invention ;
La figure 2 est une vue schématique, en perspective d'une tête de brûleur selon l'invention ;
La figure 3 est une vue en perspective schématique de la grille utilisée dans le brûleur de la figure 1 ;
La figure 4 est une vue de côté d'un brûleur à main de type pistolet muni d'une tête de brûleur du type de celle représentée figure 2 ;
La figure 5 est une représentation schématique montrant l'action d'un brûleur à grille rectiligne et dont les bords antérieurs de la chambre d'ignition et des déflecteurs sont droits ;
La figure 6 est une représentation schématique montrant l'action d'un brûleur selon l'invention ; et
Les figures 7 à 9 sont des coupes schématiques de grilles munies chacune d'un obstacle servant à engendrer des turbulences en vue de transmettre le front de la flamme sur toute l'étendue de la section de sortie du brûleur.

Comme précédemment mentionné, le brûleur selon l'invention comprend un dispositif d'injection 1 apte à transmettre à la tête du brûleur 2, un flux de mélange gazeux combustible.
Ainsi, dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif d'injection 1 fait plus particulièrement intervenir :

une tubulure 3 formée en deux tronçons, à savoir un tronçon postérieur convergent 4 et un tronçon antérieur 5 sensiblement divergent,
une buse d'injection 6 montée dans le tronçon convergent 4, cette buse 6 étant raccordée à une source de gaz inflammable présentant une pression de l'ordre de 3 à 4 bars, et
au moins une ouverture de passage d'air 7 située dans la zone annulaire comprise entre ladite buse 6 et ledit tronçon 4.

Ce dispositif forme donc une pompe à jet qui entraîne l'air provenant de l'ouverture 7 et engendre dans la portion convergente 4 de la tubulure 3 (point I) un flux de mélange gazeux à haute vitesse, de l'ordre de 12660 mètres/minute.
A l'intérieur de la portion divergente 5, cette vitesse décroît progressivement (point J₁ à 6000 mètres/mn, point J₂ à 5000 mètres/mn, point K à 3500 mètres/mn) pour parvenir à l'entrée de la tête du brûleur 2 à une vitesse qui demeure cependant relativement élevée (point L de l'ordre de 1000 mètres/mn).
La tête du brûleur 2, de forme tubulaire, se compose quant à elle de deux parties qui délimitent successivement une chambre de récupération de pression 10 qui se raccorde à la tubulure et une chambre d'ignition 11 qui débouche à l'air libre.
La chambre de récupération de pression 10 présente au-delà de sa zone de raccordement à la tubulure 3, une forme évasée délimitée par deux parois convergentes 12, 13, de largeur croissante et deux parois latérales divergentes 14, 15 de largeur décroissante. Comme ceci est visible sur les figures 2 et 3, les bordures antérieures 16, 17 des deux parois convergentes 12, 13 présentent des formes circulaires coaxiales.
La chambre d'ignition 11 présente une forme également évasée. Toutefois, dans cet exemple, elle est délimitée par deux parois parallèles 18, 19 qui prolongent les deux parois convergentes 12, 13, et deux parois latérales divergentes 20, 21 qui prolongent les parois latérales 14, 15, respectivement selon les mêmes orientations. Les bordures antérieures 22, 23 des deux parois 18, 19 sont circulaires et s'étendent coaxialement aux bordures 16, 17.
Ces deux chambres 10, 11 sont séparées l'une de l'autre par une grille de diffusion 24 qui consiste en une pièce de tôle perforée présentant la forme d'un secteur torique de section sensiblement hémicylindrique, et dont le grand rayon de courbure correspond sensiblement à celui des bordures antérieures 16, 17 des parois convergentes 12, 13. Les bordures latérales 24′, 24˝ de cette grille forment avec les deux parois parallèles 18, 19 des couloirs d'écoulement du flux gazeux dans lesquels, comme il sera expliqué par la suite, la combustion ne peut pas s'établir.
La fixation de cette grille de diffusion 24 à l'intérieur de la tête du brûleur 2 est effectuée dans la zone de jonction des chambres 10 et 11, la concavité de cette grille étant orientée vers la chambre de récupération de pression 10.
A cet effet, la grille 24 comprend deux rebords 25, 26 lui conférant une forme sensiblement en Ω (oméga), c'est-à-dire dont la section présente une forme incurvée bordée de deux ailes latérales.
Les parois 18 et 19 de la chambre d'ignition 11 sont prolongées par deux déflecteurs 30, 31 de forme circulaire qui convergent sensiblement l'un vers l'autre et présentent deux bordures respectives 32, 33 coaxiales formant entre elles un espace de passage de largeur inférieure à la largeur des côtés latéraux 20, 21 de la chambre d'ignition 11.
Le principe de fonctionnement de cette tête de brûleur est alors le suivant :
A l'intérieur de la chambre de récupération de pression 10, la vitesse du mélange gazeux subit une légère diminution tandis qu'il se développe dans une configuration en éventail. Au niveau de la grille de diffusion 24, il se forme alors une zone de pression relativement homogène, due à une conversion de l'énergie cinétique des flux gazeux.
Au travers des perforations de la grille 24, le mélange combustible forme une succession de jets à nouveau accélérés (point N à 2400 m/mn).
Dans la partie médiane de la grille 24, ces jets sont orientés axialement tandis que dans les parties latérales, ils sont sensiblement radiaux et viennent buter sur les parois 18, 19 et sur les déflecteurs 30, 31.
On constate que dans la partie médiane de la grille 24, l'écoulement gazeux formé par les jets subit une décélération ΔV₁ (point O à 1600 m/mn). Ceci provient du fait qu'au sortir des perforations de la zone médiane de la grille 24, 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'établir à une légère distance de la grille 24.
Au-delà du point O, la combustion du mélange gazeux s'établit et l'on constate une légère accélération des gaz (dilatation due à la combustion). Toutefois, la vitesse au point OO demeure inférieure à celle mesurée au point N.
Par ailleurs, le flux gazeux provenant des perforations situées dans les parties latérales de la grille perforée 24 subit une décélération ΔV₂ beaucoup plus importante que la décélération ΔV₁. En effet, le flux gazeux vient frapper les parois 18, 19 de la chambre d'ignition 11 et est freiné. Ce flux gazeux crée par ailleurs, le long des parois 18, 19 et sur les déflecteurs 30, 31, deux zones d'écoulement à pression plus élevée avec une faible accélération (points F, G, H respectivement à 600, 650, 800 m/mn) dans lesquelles la flamme ne se propage pas (espace mort). Les parois 18, 19 de la chambre d'ignition 11 et les déflecteurs 30, 31 qui ne sont pas léchés par la flamme 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).
Comme cela a été précédemment mentionné, au sortir de la grille de diffusion 24, la vitesse du flux gazeux n'est pas homogène, ce qui devrait, en principe conduire à une hétérogénéité de la flamme.
Cet inconvénient se trouve supprimé grâce à l'emploi des déflecteurs 30, 31 qui servent à dévier les zones d'écoulement de mélange combustible issues des parties latérales de la grille 24 et à les faire légèrement converger vers la région centrale du flux gazeux.
Parallèlement, la vitesse de cet écoulement gazeux se trouve ramenée, par effet d'entraînement, sensiblement à celle de la partie centrale du flux. La combustion du mélange gazeux forme alors, au-delà des bordures antérieures des déflecteurs 30, 31, une flamme en forme d'éventail.
Grâce à la forme de la tête du brûleur 2 et en particulier de la forme circulaire des bordures antérieures 32, 33 des déflecteurs 30, 31 et de la grille de diffusion 24, le front avant 40 de la flamme 41 présente également une forme circulaire coaxiale (figure 6).
Au niveau de ce front avant 40, la température du flux gazeux est sensiblement homogène et isotherme. Au-delà de ce front avant 40, la température décroît progressivement, avec des isothermes circulaires 42, 43, 44 du type de celles qui ont été représentées sur la figure 6.
Sur cette figure 6, on remarque que l'isotherme 44 vient tangenter la surface du film à traiter 45 et que cette particularité se maintient même si la tête du brûleur 2 subit une variation d'inclinaison telle que celle qui est indiquée en traits interrompus.
Il est donc clair que cette variation d'inclinaison ne fait pas encourir le risque d'avoir sur une zone déterminée du film 45, une élévation de température pouvant conduire à une brûlure, un roussissement ou même une boursouflure.
Tel ne serait pas le cas si on utilise un brûleur d'un type similaire à celui précédemment décrit mais dans lequel les bordures antérieures de la chambre d'ignition et des déflecteurs ainsi que la grille de diffusion sont rectilignes.
En effet, comme ceci apparaît sur la figure 5 le front avant 46 de la flamme 47 produite par ce brûleur 2′ présente une partie centrale rectiligne bordée par deux cornes latérales 48, 49 en saillie.
Il est clair que les isothermes du flux gazeux engendré par la flamme 47 présentent une allure similaire et qu'il existe donc un risque de brûlure du film 45 au niveau des régions latérales du flux.
En outre, ce risque de brûlure est considérablement aggravé lors d'une variation d'orientation du brûleur 2′ induisant un défaut de parallélisme entre la partie centrale du front avant de la flamme 47 et la zone du film en traitement (illustré en traits interrompus sur la figure 5).
Dans ce cas, le film subira une surchauffe dans la région latérale 50 du flux gazeux.
L'invention permet donc de supprimer ces deux inconvénients grâce au fait qu'elle permet d'obtenir un front de flamme exempt de cornes et que la forme circulaire de ce front de flamme supprime les incidences néfastes d'une variation d'orientation de la tête du brûleur.
Il convient de noter que le brûleur selon l'invention peut être associé à un corps 53 en forme de pistolet comprenant une gâchette 54 qui commande à la fois l'admission du gaz combustible et le circuit d'allumage du brûleur.
Avantageusement, ce circuit d'allumage pourra comprendre un générateur piézoélectrique actionné par la gâchette 54 et une bougie d'allumage 55 débouchant dans la chambre d'ignition 11.
Il s'avère toutefois qu'en raison de la forme circulaire de la tête 2 du brûleur et de la grande vitesse de sortie du flux gazeux, la transmission de la flamme sur toute l'étendue de la section de sortie du brûleur ne s'effectue pas toujours correctement au moment de l'allumage, notamment lorsque la longueur de cette section de sortie est importante.
L'invention propose donc de résoudre ce problème en plaçant, dans la zone médiane de la chambre d'ignition 11, un obstacle de faible hauteur plaqué étroitement à la grille 24, de manière à créer une perturbation locale des courants gazeux elle-même génératrice de zones à faible vitesse où la combustion peut s'établir et se propager sans pour autant engendrer une zone de combustion sous l'obstacle.
Cet obstacle peut s'étendre sur tout ou partie de la zone médiane de la grille de diffusion 24 ou, éventuellement, être disposé obliquement vis-à-vis de celle-ci.
Les figures 7, 8 et 9 montrent diverses possibilités de réalisation de cet obstacle.
Ainsi, les figures 7 et 8 montrent en coupe transversale des obstacles constitués par un fil rond 60 (figure 7) et par un fil de section carrée 61 (figure 8) fixés sur la grille de diffusion 24.
Dans l'éxemple représenté sur la figure 9, l'obstacle est simplement obtenu par une pliure 62 formée sur la grille de diffusion 24.
Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes d'exécution précédemment décrits.
Ainsi, par exemple, la grille de diffusion 24 pourrait comprendre au moins sur une partie de sa superficie une double paroi.
De même, cette grille 24 pourrait être doublée par une grille plus fine, s'étendant dans la chambre de répartition de pression ou même dans la chambre d'ignition, pour éviter d'éventuels retours de flamme.

Claims

Brûleur à gaz, de type à buse froide, comprenant un dispositif d'injection (1) apte à produire un flux de mélange gazeux combustible, à haute vitesse, et à injecter ce flux dans une tête de brûleur (2) de forme tubulaire comportant successivement :
- une chambre de récupération de pression (10) délimitée par deux parois convergentes (12, 13) et par deux parois divergentes (14,15), cette chambre de récupération de pression (10) présentant, dans un plan de symétrie de la tête (2), un profil divergent, et à l'intérieur de laquelle le mélange gazeux provenant du dispositif d'injection se développe selon une configuration en éventail,

- une chambre d'ignition (11) présentant deux parois planes opposées (18, 19) sensiblement parallèles audit plan de symétrie,

- deux déflecteurs (30,31) qui prolongent respectivement les deux dites parois (18, 19) et qui convergent l'un vers l'autre, ces deux déflecteurs (30, 31) présentant deux bordures antérieures parallèles formant entre elles un passage de largeur réduite, et

- une grille de diffusion (24) de forme concave formant à l'intérieur de la tête du brûleur (1) une cloison bombée qui sépare la chambre de récupération de pression (10) et la chambre d'ignition (11), la concavité de cette cloison étant orientée vers l'intérieur de la chambre de récupération de pression (10), de manière à ce que les bordures latérales (24', 24'') de cette grille forment, avec les deux parois parallèles (18, 19), des couloirs d'écoulement du flux gazeux dans lesquels la combustion ne peut pas s'établir,
caractérisé en ce que les bordures antérieures (16, 17) des deux parois convergentes (12, 13) de la chambre de récupération de pression (10), les bordures antérieures (23, 22) des susdites parois planes opposées (18, 19) de la chambre d'ignition sur lesquelles se raccordent les déflecteurs (30, 31), les bordures antérieures (32, 33) de ces déflecteurs (30, 31), et la grille de diffusion (24) présentent des formes circulaires sensiblement coaxiales, de manière à obtenir, au-delà des bordures antérieures (32, 33) des déflecteurs (30, 31), une flamme en forme d'éventail dont le front avant présente une forme circulaire sensiblement coaxiale à celle desdites bordures (16, 17, 23, 22, 32, 33) et de ladite grille (24).
Brûleur selon la revendication 1,
caractérisé en ce que la susdite grille de diffusion (24) présente la forme d'un secteur torique de section sensiblement hémicylindrique, dont le grand rayon de courbure correspond sensiblement à celui des susdites formes circulaires.
Brûleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la susdite grille de diffusion (24) présente une section comprenant une partie incurvée bordée de deux ailes latérales.
Brûleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la susdite grille de diffusion (24) comprend sur au moins une partie de sa superficie une double paroi.
Brûleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comprend, dans la zone médiane de la chambre d'ignition (11), un obstacle de faible hauteur plaqué étroitement contre la grille de diffusion (24), de manière à créer une perturbation locale des courants gazeux injectés par la grille (24).
Brûleur selon la revendication 5,
caractérisé en ce que le susdit obstacle consiste en un fil (60, 61) fixé sur la grille de diffusion (24).
Brûleur selon la revendication 5,
caractérisé en ce que le susdit obstacle est obtenu par une pliure (62) formée sur la grille de diffusion (24).
Brûleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comprend en outre une fine grille s'étendant contre la grille de diffusion (24).