EP0970325B1 - Bruleur, tel un chalumeau monodard, a premelange de debit superieur a 1000 litres/heure - Google Patents

Bruleur, tel un chalumeau monodard, a premelange de debit superieur a 1000 litres/heure Download PDF

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EP0970325B1
EP0970325B1 EP98914950A EP98914950A EP0970325B1 EP 0970325 B1 EP0970325 B1 EP 0970325B1 EP 98914950 A EP98914950 A EP 98914950A EP 98914950 A EP98914950 A EP 98914950A EP 0970325 B1 EP0970325 B1 EP 0970325B1
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EP
European Patent Office
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flow
feed pipe
section
burner according
cross
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98914950A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0970325A1 (fr
Inventor
Jean-Marie Truffaut
Geoff IRPHE UMR 6594 CNRS SEARBY
Louis IRPHE UMR 6594 CNRS BOYER
Gilles Cannet
Francis Briand
Philippe Pisot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lincoln Electric Company France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
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Publication date
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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
    • F23D14/38—Torches, e.g. for brazing or heating
    • 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
    • F23D14/02—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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the present invention relates to a burner, such as a torch, of preferably monodard, with premix of flow rate greater than 1000 l / h of the type comprising a gas mixture supply pipe having a supply end of the gas mixture and a single nozzle for the establishment of the flame mounted at the other end of said pipe feed.
  • Burners, in particular torches, in particular of the type known premix monodard generally have at the end supply an injector ensuring the contacting of a gas fuel, from a first power source, with a gas oxidizer, from a second power source (see for example FR-A-322 011, US-A-4 886 447).
  • the supply line thus connects the injector to the nozzle.
  • This pipe is generally formed by a straight pipe on the essential of its length, commonly called a lance.
  • the spear is about 30 cm long. In practice, the spear has a bend at its outlet end.
  • the invention aims to provide a burner, in particular a torch, whose noise emissions caused by the flame are reduced.
  • the subject of the invention is a burner, such as a torch, of preferably monodard, with premix of flow rate greater than 1000 l / h of the type above, characterized in that the supply line is adapted for that at any point of at least one cross section thereof, the Reynolds number of the mixture flowing in the supply line is less than 3000, when the burner or torch operates in steady state at a flow rate greater than 1000 l / h.
  • the burner according to the invention is a torch, such as a monodard torch.
  • the invention also relates to the use of a torch according to the invention in an oxy-combustion process, putting using a mixture containing at least one combustible gas and at minus an oxidizing gas, such as a mixture containing oxygen and propane.
  • a monodard torch according to the invention can be applied to any brewing operation, from warm before removal ("straightening" in English), preheating before welding, heating for forming or any other processing operation thermal of a material preferably a metal or alloy material metallic.
  • the burner according to the invention can be applied to the combustion field, i.e. any process using an oxy-fuel flame, for example in an oven and / or in the glass working.
  • oxygen is the preferred oxidizer, it is possible to also, in some cases, use air, preferably compressed, as an oxidizing gas.
  • the torch 10 shown in Figure 1 includes an injector premix 12, a lance 14 forming a supply line for the mixture and a single end nozzle 16.
  • the injector 12 comprises a body 18 crossed by a conduit fuel gas supply 20.
  • the body 18 further comprises a side duct 22 for supplying oxidant gas.
  • the conduits 20 and 22 open into a threaded hole 24, into which a manifold 26 is screwed through through an axial passage 28 for feeding the gaseous mixture into the conduit 14.
  • the passage 28 has a diameter of approximately 3 mm and is connected to the conduits 20 and 22 by connections 30.
  • the passage 28 opens at the center of a flat transverse face of the collector, denoted 28A, which extends perpendicularly to the passage axis 28.
  • the pipe 14 is formed by a pipe of circular section having an internal diameter equal to approximately 21 mm and a length equal to 276 mm approx.
  • An inlet end 32 of the pipe 14 has a thread outside. It is screwed into the threaded hole 24. This end rests on the flat face 28A.
  • Line 14 includes, at the supply end 32, a open mixing chamber 34 into which the feed passage 28.
  • the section of the mixing chamber 34 is equal to the inner section of the pipe 14. This section is very greater than the section of the passage 28.
  • the section of the pipe supply increases suddenly according to the direction of flow of the mixed. This brutal variation in section is ensured here by a shoulder delimited by the face 28A.
  • the pipe 14 contains successive organs for regulating the gas flow spaced apart by clear sections.
  • a baffle 36 is arranged downstream of the end inlet 32. This defines with the flat face 28A of the injector the mixing chamber 34 which extends over 21 mm.
  • Chicane 36 is formed by an agglomerated set of elements analogues, for example independent balls 36A retained between two transverse end grids 36B.
  • 36A balls have a diameter 4 mm.
  • 36B grids consist of a braided wire mesh whose neighboring strands are spaced about 0.5 mm apart.
  • This baffle can also be formed by a porous material, in particular a sintered material.
  • the baffle 36 extends over a length of 30 mm. She is followed by an unobstructed tranquilization chamber 38 also extending over a length of 30 mm.
  • Chamber 38 is delimited downstream by a guide member 40 axial flow.
  • This organ is formed by a section with a length 24 mm, of a honeycomb structure whose walls extend along the axis of the pipe 14.
  • the member 40 is formed of an assembly of longitudinal walls dividing the pipe 14 into a set of parallel channels. The diameter of each channel is 4 mm.
  • the channels here have a hexagonal section. However, they can also be square or circular section.
  • a second chamber Downstream of the member 40, a second chamber is provided. still 42 extending over a length of 85 mm. She is delimited at its downstream end by a second axial guide member 44 formed by a honeycomb structure whose diameter of each channel is equal to 1 mm. This organ 44, the channels of which extend along the direction of flow, has a length of 6 mm.
  • a grid 46 Downstream of the member 44 is disposed a grid 46, the mesh of which is about 0.5 mm. This grid delimits with the organ 44 a room released from stilling 48 extending over 50 mm.
  • the grid 46 is separated from the outlet end of the pipe 14 by an open chamber 50 extending over 30 mm.
  • the nozzle 16 has an inner profile of revolution. It is delimited from line 14 to its outlet end 52 via a converge 54 having a general profile in S. Convergent 54 is tangentially connects to the outlet end of the pipe 14. The outlet end 52 of the nozzle has a diameter of 3 mm, so that the nominal mixing flow rate of such a nozzle is 2000 l / h.
  • the profile of the convergent 54 is for example defined by a polynomial of order 5 calculated according to the Bell and Metha method, described in publication "Bell, J.H. and Metha, R.D. Contraction Design for Small Low Speed Wind Tunnels, AIAA Journal, 27, 372-4, (1989) ".
  • This nozzle has a great contraction ratio.
  • the contraction ratio which is defined by the inlet section of the nozzle on its outlet section is approximately 50. From plus, the aspect ratio, i.e. the length of the nozzle over its diameter input is about 2.6.
  • the surface of the convergent 54 is chosen to be as smooth as possible.
  • the nozzle 16 is connected to the end of the pipe 14 by a threaded connection sleeve 56.
  • the positioning devices and for fixing members 36, 40, 44 and 46 constituted for example by tubular sections forming spacers between the members, are adapted to ensure the continuity of the inner wall of the lance, so that it is internally devoid of roughness, groove and variation abrupt section.
  • the pipe 14 of the torch described here has a section interior of large area compared to that of the outlet section of the nozzle.
  • the Reynolds number of mixture flowing in line 14 is at least one pipe cross-section less than 3000, when the torch operates in steady state.
  • the speed in the pipe is substantially equal to 2 m / s, which gives a Reynolds number substantially equal to 2000 in the cleared sections 38, 42, 48, 50 of the tube.
  • the flow of the gas mixture in the supply line is a substantially laminar flow.
  • Figure 2 presents experimental results of measurements of the noise level.
  • Noise levels were raised 0.5 m from the nozzle in the exit plan from it.
  • the reference levels have been obtained with a "Varial G2" type torch, sold in France by French Autogenic Welding. This torch was equipped a nozzle with a nominal mixing flow of 2000 l / h having a diameter 3 mm outlet.
  • the richness of the mixture used, propane and oxygen, was 1.33.
  • the inner diameter of the pipe cylindrical feed of such a torch is 8 mm.
  • the curve shows the sound levels recorded for this torch reference and the torch 10 of FIG. 1, for different flow rates ranging from 1200 l / h to 3000 l / h of the same mixture. These sound levels are represented respectively by black circles and white squares.
  • the noise emitted by a flame comes on the one hand from the sting (part central flame) and on the other hand the plume (peripheral part of the flame).
  • the torch according to the invention was designed in order to further reduce the turbulence present at the base of the sting.
  • the torch has been sized to obtain a substantially laminar flow inside the lance.
  • the combustible and oxidizing gases are brought into contact in the feed passage 28.
  • the sudden change in diameter at the end inlet 32 causes gas recirculation inside the chamber 34.
  • eddies arise at the exit from passage 28, which creates a turbulent flow in the chamber 34. This turbulent flow promotes the homogeneous mixing of gas.
  • the variation should from section from section of passage 28 to maximum section of the mixing chamber takes place over a short length along the axis of the pipe 14.
  • the profile must be understood on the outside a cone whose angle at the top is equal to 14 ° and preferably greater than or equal to 20 °.
  • the length of the mixing chamber is advantageously equal the diameter of the latter.
  • the flow of combustible and oxidizing gases mixed in the room 34 then flows randomly through the chicane 36.
  • the spatial scale of turbulence is thus reduced to one dimension on the order of the diameter of the balls 36A (4 mm).
  • the stilling chamber 38 then ensures a viscous dissipation of the vortices still present in the flow.
  • the axial guide member 40 then ensures attenuation of the fluctuations in transverse velocities in the flow. In particular, it directs the flow in the direction of the axis of the pipe 14.
  • the length of the member with a nest structure bee is four to ten times and preferably six to eight times the diameter of the channels constituting said organ.
  • the stilling chamber 42 arranged downstream of the member 40, must have a length sufficient to absorb the turbulence generated by the member 40.
  • the member 44 ensures with the downstream stabilization 48 a new reduction in speeds transverse in the flow and improves the directivity of the flow.
  • the grid 46 associated with the chamber 50 performs a damping final turbulence of the flow.
  • baffle 36 and the guide members axial flow 40, 44 further improves the reduction in the level of noise.
  • FIG 3 an alternative embodiment of the torch 10 in Figure 1.
  • This torch is indistinguishable from that of the Figure 1 only by its supply line.
  • This is formed by a tube 100 of circular section with internal diameter equal to 10 mm and of length equal to 221 mm.
  • This tube has two internal parts identical 102, 104 for axial guidance of the mixture.
  • These organs are formed by honeycomb structures whose walls extend longitudinally. These walls delimit channels of diameter equal to 1 mm.
  • These two sections 102, 104 each extend over a length 60 mm. They define between them a tranquilization chamber open bearing the reference 106. This extends over a length of 30 mm.
  • a chamber still 108 extending over a length of 50 mm.
  • a flow of the order about 2800 l / h leads to a speed in the supply line equal to 10 m / s.
  • the Reynolds number of the mixture flowing in the parallel channels bounded by the honeycomb structures is substantially equal to 500.
  • the Reynolds number of the flow is less than 3000 over the entire section of the pipe. This causes laminarization of the flow from which it results improved stabilization of the flame dart.
  • the torch described in Figure 3 generates a noise level significantly lower than the reference torch.
  • the torches described here have a straight lance. However, this may include a bent section (in particular at its output end), without the measured noise level being significantly increased.

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Description

La présente invention concerne un brûleur, tel un chalumeau, de préférence monodard, à prémélange de débit supérieur à 1000 l/h du type comportant une conduite d'alimentation en mélange gazeux ayant une extrémité d'alimentation du mélange gazeux et une buse unique pour l'établissement de la flamme montée à l'autre extrémité de ladite conduite d'alimentation.
Les brûleurs, en particulier les chalumeaux notamment de type monodard à prémélange connus comportent généralement à l'extrémité d'alimentation un injecteur assurant la mise en contact d'un gaz combustible, issu d'une première source d'alimentation, avec un gaz comburant, issu d'une seconde source d'alimentation (voir p. ex. FR-A-322 011, US-A-4 886 447).
La conduite d'alimentation relie ainsi l'injecteur à la buse. Cette conduite est généralement formée par un tuyau rectiligne sur l'essentiel de sa longueur, communément appelé lance. Pour un chalumeau à mains, la lance a une longueur d'environ 30 cm. Dans la pratique, la lance comporte un coude à son extrémité de sortie.
Afin d'éviter les retours de flamme à l'intérieur de la conduite d'alimentation et limiter l'encombrement, les concepteurs de chalumeaux cherchent à réduire la section intérieure de la conduite.
Or, les chalumeaux actuels présentent l'inconvénient d'engendrer un niveau de bruit élevé provoqué par la flamme. Ces nuisances sonores obligent les utilisateurs de chalumeaux à porter des protections acoustiques.
L'invention a pour but de proposer un brûleur, en particulier un chalumeau, dont les émissions sonores causées par la flamme sont réduites.
A cet effet, l'invention a pour objet un brûleur, tel un chalumeau, de préférence monodard, à prémélange de débit supérieur à 1000 l/h du type précité, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation est adaptée pour que, en tout point d'au moins une section transversale de celle-ci, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation est inférieur à 3000, lorsque le brûleur ou chalumeau fonctionne en régime permanent à un débit supérieur à 1000 l/h.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le brûleur, en particulier le chalumeau, peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la vitesse du mélange dans ladite section transversale est inférieure à 5 m/s;
  • sur au moins un tronçon, la conduite d'alimentation comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement et subdivisant la section transversale de la conduite d'alimentation en canaux adjacents et, en tout point d'au moins une section transversale dudit tronçon subdivisé, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation est inférieur à 3000, lorsque le brûleur ou le chalumeau fonctionne en régime établi ;
  • la conduite d'alimentation comporte, à l'extrémité d'alimentation une chambre de mélange dégagée, dans laquelle débouche un passage d'alimentation en mélange gazeux, la section de la chambre de mélange étant supérieure à la section du passage d'alimentation, la section de la conduite d'alimentation augmentant brutalement suivant le sens de l'écoulement, depuis le passage d'alimentation vers la chambre de mélange, notamment suivant un épaulement ;
  • la conduite d'alimentation comporte, sur un tronçon, un ensemble d'éléments formant une chicane, prolongé suivant le sens de l'écoulement par un tronçon dégagé ;
  • la conduite d'alimentation comporte, sur au moins un tronçon, un organe de guidage axial de l'écoulement ;
  • en aval du ou de chaque organe de guidage axial de l'écoulement, est disposé un tronçon dégagé de tranquillisation de l'écoulement.
  • le ou chaque organe de guidage axial comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement, lesquelles parois subdivisent la section transversale de la conduite d'alimentation en canaux adjacents définissant un motif régulier ;
  • les surfaces des sections transversales des canaux d'un même organe de guidage axial sont sensiblement égales ;
  • la longueur mesurée suivant la direction de l'écoulement, des canaux du ou de chaque organe de guidage est comprise entre quatre à dix fois, notamment six à huit fois le diamètre d'un canal ;
  • au moins deux tronçons de la conduite d'alimentation comportent des organes de guidage axial et en ce que les surfaces des sections transversales des canaux diminuent d'un organe à l'autre suivant le sens de l'écoulement du mélange ; et
  • la buse est délimitée intérieurement depuis la conduite jusqu'à son extrémité de sortie par un convergent ayant une forme générale en S, lequel convergent se relie tangentiellement à la conduite d'alimentation.
De préférence, le brûleur selon l'invention est un chalumeau, tel un chalumeau monodard.
En outre, l'invention concerne également l'utilisation d'un chalumeau selon l'invention dans un procédé d'oxycombustion, mettant en oeuvre un mélange contenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant, tel un mélange contenant de l'oxygène et du propane.
Plus généralement, un chalumeau monodard selon l'invention peut être appliqué à toute opération de brassage, de chaude avant retrait ("straightening" en anglais), de préchauffage avant soudage, de chauffage pour formage ou de toute autre opération de traitement thermique d'un matériau de préférence un matériau en métal ou en alliage métallique.
En outre, le brûleur selon l'invention peut être appliquée au domaine de la combustion c'est-à-dire à tout procédé mettant en oeuvre une flamme d'oxycombustion, par exemples dans un four et/ou dans le domaine du travail du verre.
En ce qui concerne les combustibles pouvant être utilisés, on peut citer, outre le propane, déjà mentionné, le méthane, le butane, l'éthylène, le propylène ou leurs mélanges, ou tout autre gaz ou mélange gazeux ayant une vitesse de déflagration modérée.
Par ailleurs, bien que l'oxygène soit le comburant préféré, on peut aussi, dans certains cas utiliser de l'air, préférentiellement comprimé, en tant que gaz comburant.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un brûleur et, plus précisément, d'un chalumeau conforme à l'invention qui va suivre, donné uniquement à titre d'exemple en se référant aux dessins sur lesquels :
  • La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un chalumeau monodard selon l'invention ;
  • La figure 2 est un diagramme montrant les résultats de mesure du niveau sonore relevé pour différents débits du chalumeau de la figure 1 et d'un chalumeau de l'état de la technique ; et
  • La figure 3 est une coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation d'un chalumeau selon l'invention.
Le chalumeau 10 représenté sur la figure 1 comporte un injecteur de prémélange 12, une lance 14 formant une conduite d'alimentation du mélange et une buse unique d'extrémité 16.
L'injecteur 12 comporte un corps 18 traversé par un conduit d'alimentation en gaz combustible 20. Le corps 18 comporte, en outre, un conduit latéral 22 d'alimentation en gaz comburant.
Les conduits 20 et 22 débouchent dans un trou taraudé 24, dans lequel est vissé un collecteur 26 traversé par un passage axial 28 pour l'alimentation du mélange gazeux dans la conduite 14.
Le passage 28 a un diamètre d'environ 3 mm et est relié aux conduits 20 et 22 par des liaisons 30. Le passage 28 débouche au centre d'une face transversale plane du collecteur, notée 28A, qui s'étend perpendiculairement à l'axe du passage 28.
La conduite 14 est formée par un tuyau de section circulaire ayant un diamètre intérieur égal à 21 mm environ et une longueur égale à 276 mm environ.
Une extrémité d'entrée 32 de la conduite 14 comporte un filetage extérieur. Elle est vissée dans le trou taraudé 24. Cette extrémité s'appuie sur la face plane 28A.
La conduite 14 comporte, à l'extrémité d'alimentation 32, une chambre de mélange dégagée 34 dans laquelle débouche axialement le passage d'alimentation 28. La section de la chambre de mélange 34 est égale à la section intérieure de la conduite 14. Cette section est très supérieure à la section du passage 28. Ainsi, la section de la conduite d'alimentation augmente brutalement suivant le sens d'écoulement du mélange. Cette variation brutale de section est assurée ici par un épaulement délimité par la face 28A.
Depuis son extrémité d'entrée 32 jusqu'à la buse 16, la conduite 14 contient des organes successifs de régulation du flux gazeux espacés par des tronçons dégagés.
En particulier, une chicane 36 est disposée en aval de l'extrémité d'entrée 32. Celle-ci délimite avec la face plane 28A de l'injecteur la chambre de mélange 34 qui s'étend sur 21 mm.
La chicane 36 est formée par un ensemble aggloméré d'éléments analogues, par exemple des billes indépendantes 36A retenues entre deux grilles transversales d'extrémité 36B. Les billes 36A ont un diamètre de 4 mm. Les grilles 36B sont constituées d'un treillis métallique tressé dont les brins voisins sont écartés d'environ 0,5 mm.
Cette chicane peut également être formée par un matériau poreux, notamment un matériau fritté.
La chicane 36 s'étend sur une longueur de 30 mm. Elle est suivie par une chambre dégagée de tranquillisation 38 s'étendant également sur une longueur de 30 mm.
La chambre 38 est délimitée en aval par un organe 40 de guidage axial de l'écoulement. Cet organe est formé par un tronçon d'une longueur de 24 mm, d'une structure en nid d'abeille dont les parois s'étendent suivant l'axe de la conduite 14. Ainsi, l'organe 40 est formé d'un ensemble de parois longitudinales subdivisant la conduite 14 en un ensemble de canaux parallèles. Le diamètre de chaque canal est de 4 mm. Les canaux ont ici une section hexagonale. Toutefois, ils peuvent aussi être de section carrée ou circulaire.
En aval de l'organe 40, est prévue une seconde chambre de tranquillisation 42 s'étendant sur une longueur de 85 mm. Elle est délimitée à son extrémité aval par un second organe de guidage axial 44 formé par une structure en nid d'abeille dont le diamètre de chaque canal est égal à 1 mm. Cet organe 44, dont les canaux s'étendent suivant la direction de l'écoulement, a une longueur de 6 mm.
En aval de l'organe 44 est disposée une grille 46 dont la maille est d'environ 0,5 mm. Cette grille délimite avec l'organe 44 une chambre dégagée de tranquillisation 48 s'étendant sur 50 mm.
La grille 46 est séparée de l'extrémité de sortie de la conduite 14 par une chambre dégagée 50 s'étendant sur 30 mm.
La buse 16 a un profil intérieur de révolution. Elle est délimitée depuis la conduite 14 jusqu'à son extrémité de sortie 52 par un convergent 54 ayant un profil général en S. Le convergent 54 se raccorde tangentiellement à l'extrémité de sortie de la conduite 14. L'extrémité de sortie 52 de la buse a un diamètre de 3 mm, de sorte que le débit nominal de mélange d'une telle buse est de 2000 l/h.
Le profil du convergent 54 est par exemple défini par un polynôme d'ordre 5 calculé selon la méthode de Bell et Metha, décrite dans la publication "Bell, J.H. and Metha, R.D. Contraction Design for Small Low Speed Wind Tunnels, AIAA Journal, 27, 372-4, (1989)". Cette buse a un grand rapport de contraction. Le rapport de contraction qui est défini par la section d'entrée de la buse sur sa section de sortie est d'environ 50. De plus, le rapport d'aspect, à savoir la longueur de la buse sur son diamètre d'entrée est d'environ 2,6. Avantageusement, la surface du convergent 54 est choisie aussi lisse que possible.
La buse 16 est reliée à l'extrémité de la conduite 14 par un manchon taraudé de liaison 56.
Dans le chalumeau décrit ici, les dispositifs de positionnement et de fixation des organes 36, 40, 44 et 46, constitués par exemple par des tronçons tubulaires formant entretoises entre les organes, sont adaptés pour assurer la continuité de la paroi intérieure de la lance, de sorte que celle-ci est intérieurement dépourvue d'aspérité, de rainure et de variation brusque de section.
La conduite 14 du chalumeau décrit ici présente une section intérieure de grande surface par rapport à celle de la section de sortie de la buse.
En particulier, pour les débits normaux d'utilisation de ce chalumeau compris entre 1000 l/h et 3000 l/h, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite 14 est en tout point d'au moins une section transversale de la conduite inférieure à 3000, lorsque le chalumeau fonctionne en régime permanent.
Pour une vitesse de sortie des gaz de la buse égale à environ 100 m/s, soit un débit d'environ 2500 l/h, la vitesse dans la conduite est sensiblement égale à 2 m/s, ce qui donne un nombre de Reynolds sensiblement égal à 2000 dans les tronçons dégagés 38, 42, 48, 50 du tube.
Dans ces conditions, l'écoulement du mélange gazeux dans la conduite d'alimentation est un écoulement sensiblement laminaire.
Il a été constaté que la laminarisation de l'écoulement dans la conduite 14 conduit à une diminution de l'ordre de 20 décibels (dBA) du niveau de bruit mesuré au niveau de la buse du chalumeau. Une telle amélioration est constatée notamment pour un tel diamètre de la conduite pour des vitesses du mélange dans la conduite inférieures à 5 m/s.
La figure 2 présente des résultats expérimentaux de mesures du niveau de bruit. Les niveaux de bruit ont été relevés à 0,5 m de la buse dans le plan de sortie de celle-ci. Les niveaux de référence ont été obtenus avec un chalumeau de type "Varial G2", commercialisé en France par la Soudure Autogène Française. Ce chalumeau était équipé d'une buse d'un débit nominal de mélange de 2000 l/h ayant un diamètre de sortie de 3 mm. La richesse du mélange utilisé, du propane et de l'oxygène, était de 1,33. Le diamètre intérieur de la conduite d'alimentation cylindrique d'un tel chalumeau est de 8 mm.
La courbe montre les niveaux sonores relevés pour ce chalumeau de référence et le chalumeau 10 de la figure 1, pour différents débits allant de 1200 l/h à 3000 l/h du même mélange. Ces niveaux sonores sont figurés respectivement par des ronds noirs et des carrés blancs.
On constate également une très nette diminution du niveau sonore. Cette diminution varie de plus de 30 décibels (dBA) pour un débit de 1200 l/h à environ 15 décibels (dBA) pour un débit de 3000 l/h.
Une hypothèse d'explication de la diminution du niveau de bruit mesurée est la suivante.
Le bruit émis par une flamme provient d'une part du dard (partie centrale de la flamme) et d'autre part du panache (partie périphérique de la flamme).
Il est communément admis que le bruit engendré par une flamme provient des fluctuations de la flamme.
Toutefois, selon l'hypothèse avancée ici, l'essentiel du bruit de la flamme proviendrait du dard et notamment de l'instabilité de la surface de celui-ci.
L'analyse de la turbulence de l'écoulement en sortie de la buse d'un chalumeau de l'état de la technique paraít trop faible pour expliquer à elle seule les fluctuations de la surface du dard. Cependant, il est supposé que les faibles turbulences rencontrées à la base du dard sont convectées par la flamme à la vitesse de l'écoulement tout en étant amplifiées par l'instabilité de Darrieus-Landau (Landau, L. Acta Physicochimica URSS, vol 19, p. 77, (1944)), et que lorsque l'amplitude des perturbations est devenue suffisamment grande, la flamme devient auto-turbulente. Aussi, la turbulence, même faible, de l'écoulement semble suffire pour exciter l'instabilité de Darrieus-Landau.
Le chalumeau selon l'invention a été conçu afin de réduire encore les turbulences présentes à la base du dard.
A cet effet, le chalumeau a été dimensionné afin d'obtenir un écoulement sensiblement laminaire à l'intérieur de la lance.
Dans le chalumeau représenté sur la figure 1, les phénomènes suivants sont observés.
Les gaz combustible et comburant sont mis en contact dans le passage d'alimentation 28. La brusque variation du diamètre à l'extrémité d'entrée 32 provoque une recirculation des gaz à l'intérieur de la chambre de mélange 34. En particulier, des tourbillons prennent naissance à la sortie du passage 28, ce qui engendre un écoulement turbulent dans la chambre 34. Cet écoulement turbulent favorise le mélange homogène des gaz.
Afin de créer un phénomène de recirculation donnant naissance à des tourbillons dans la chambre de mélange, il convient que la variation de la section depuis la section du passage 28 jusqu'à la section maximum de la chambre de mélange s'effectue sur une faible longueur suivant l'axe de la conduite 14. En particulier, le profil doit être compris à l'extérieur d'un cône dont l'angle au sommet est égal à 14° et de préférence supérieur ou égal à 20°.
La longueur de la chambre de mélange est avantageusement égale au diamètre de celle-ci.
Le flux des gaz combustible et comburant mélangés dans la chambre 34 circule ensuite de manière aléatoire au travers de la chicane 36. L'échelle spatiale des turbulences est ainsi réduite à une dimension de l'ordre du diamètre des billes 36A (4 mm).
La chambre de tranquillisation 38 assure ensuite une dissipation visqueuse des tourbillons encore présents dans l'écoulement. La longueur L de la chambre 38, nécessaire pour un premier amortissement des tourbillons de l'ordre d'un facteur trois, est donnée par L = U.m2/(4π2.ν) dans laquelle U est la vitesse moyenne du mélange, m est la taille de la maille et v la viscosité du mélange.
L'organe de guidage axial 40 assure ensuite une atténuation des fluctuations des vitesses transversales dans l'écoulement. En particulier, il dirige l'écoulement suivant la direction de l'axe de la conduite 14.
Avantageusement, la longueur de l'organe à structure en nid d'abeille est de quatre à dix fois et de préférence de six à huit fois le diamètre des canaux constituant ledit organe.
La chambre de tranquillisation 42, disposée en aval de l'organe 40, doit avoir une longueur suffisante pour amortir les turbulences engendrées par l'organe 40. Comme précédemment, cette longueur L'optimale est donnée par la relation L' = U.m2/(4π2.ν) dans laquelle U est la vitesse du mélange, m le diamètre des canaux de la structure, et v la viscosité du mélange. Dans l'exemple décrit, cette longueur est égale à 85 mm et correspond à un amortissement des turbulences de l'ordre d'un facteur 10.
De manière analogue, l'organe 44, dont le diamètre des canaux est inférieur à celui des canaux de l'organe 40, assure avec la chambre de tranquillisation aval 48 une nouvelle atténuation des vitesses transversales dans l'écoulement et améliore la directivité de l'écoulement.
La grille 46 associée à la chambre 50 effectue un amortissement final des turbulences de l'écoulement.
Lorsque le chalumeau fonctionne en régime établi, c'est-à-dire avec un débit constant compris entre 1000 et 3000 l/h, le nombre de Reynolds de l'écoulement dans les chambres dégagées est inférieur à 3000. Ainsi, un écoulement laminaire est obtenu à l'intérieur de ces chambres. La laminarisation de l'écoulement dans la conduite 14 réduit considérablement le bruit produit par la flamme.
En outre, la présence de la chicane 36 et des organes de guidage axial de l'écoulement 40, 44 améliore encore la réduction du niveau de bruit.
Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation du chalumeau 10 de la figure 1. Ce chalumeau ne se distingue de celui de la figure 1 que par sa conduite d'alimentation. Celle-ci est formée par un tube 100 de section circulaire de diamètre intérieur égal à 10 mm et de longueur égale à 221 mm. Ce tube comporte intérieurement deux organes identiques 102, 104 de guidage axial du mélange. Ces organes sont formés par des structures en nid d'abeille dont les parois s'étendent longitudinalement. Ces parois délimitent des canaux de diamètre égal à 1 mm.
Ces deux tronçons 102, 104 s'étendent chacun sur une longueur de 60 mm. Ils délimitent entre eux une chambre de tranquillisation dégagée portant la référence 106. Celle-ci s'étend sur une longueur de 30 mm.
Entre le second tronçon 104 et la buse 16 est prévue une chambre de tranquillisation 108 s'étendant sur une longueur de 50 mm.
Dans le chalumeau décrit sur la figure 3, un débit de l'ordre d'environ 2800 l/h conduit à une vitesse dans la conduite d'alimentation égale à 10 m/s. Le nombre de Reynolds du mélange s'écoulant dans les canaux parallèles délimités par les structures en nid d'abeille est sensiblement égal à 500. Ainsi, dans les tronçons de la conduite occupés par les organes à structure en nid d'abeille, le nombre de Reynolds de l'écoulement est inférieur à 3000 sur toute la section de la conduite. Ceci provoque une laminarisation de l'écoulement d'où il résulte une stabilisation améliorée du dard de la flamme.
Le chalumeau décrit sur la figure 3 engendre un niveau de bruit nettement inférieur au chalumeau de référence.
Les chalumeaux décrits ici comportent une lance rectiligne. Toutefois, celle-ci peut comporter un tronçon coudé (notamment à son extrémité de sortie), sans que le niveau de bruit mesuré ne soit significativement augmenté.

Claims (14)

  1. Brûleur à prémélange de débit supérieur à 1000 l/h du type comportant une conduite d'alimentation (14) en mélange gazeux ayant une extrémité d'alimentation (32) du mélange gazeux et une buse unique (16) pour l'établissement de la flamme montée à l'autre extrémité de ladite conduite d'alimentation (14), caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) est adaptée pour que, en tout point d'au moins une section transversale de celle-ci, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation (14) est inférieur à 3000, lorsque le brûleur fonctionne en régime permanent à un débit supérieur à 1000 l/h.
  2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse du mélange dans ladite section transversale est inférieure à 5 m/s.
  3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, sur au moins un tronçon (102, 104), la conduite d'alimentation (14) comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement et subdivisant la section transversale de la conduite d'alimentation (14) en canaux adjacents et en ce que, en tout point d'au moins une section transversale dudit tronçon subdivisé, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation (14) est inférieur à 3000, lorsque le brûleur fonctionne en régime établi.
  4. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) comporte, à l'extrémité d'alimentation (32) une chambre de mélange dégagée (34), dans laquelle débouche un passage d'alimentation (28) en mélange gazeux, la section de la chambre de mélange (34) étant supérieure à la section du passage d'alimentation (28), la section de la conduite d'alimentation (14) augmentant brutalement suivant le sens de l'écoulement, depuis le passage d'alimentation (28) vers la chambre de mélange (34), notamment suivant un épaulement (28A).
  5. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) comporte, sur un tronçon, un ensemble d'éléments (36A) formant une chicane (36), prolongé suivant le sens de l'écoulement par un tronçon dégagé (38).
  6. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) comporte, sur au moins un tronçon, un organe (40, 44 ; 102, 104) de guidage axial de l'écoulement.
  7. Brûleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en aval du ou de chaque organe (40, 44 ; 102, 104) de guidage axial de l'écoulement, est disposé un tronçon (42, 48 ; 106, 108) dégagé de tranquillisation de l'écoulement.
  8. Brûleur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le ou chaque organe de guidage axial (40, 44 ; 102, 104) comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement, lesquelles parois subdivisent la section transversale de la conduite d'alimentation (14) en canaux adjacents définissant un motif régulier.
  9. Brûleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les surfaces des sections transversales des canaux d'un même organe de guidage axial (40, 44 ; 102, 104) sont sensiblement égales.
  10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la longueur mesurée suivant la direction de l'écoulement, des canaux du ou de chaque organe de guidage (40, 44) est comprise entre quatre à dix fois, notamment six à huit fois le diamètre d'un canal.
  11. Brûleur selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'au moins deux tronçons de la conduite d'alimentation (14) comportent des organes (40, 44) de guidage axial et en ce que les surfaces des sections transversales des canaux diminuent d'un organe à l'autre suivant le sens de l'écoulement du mélange.
  12. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la buse (16) est délimitée intérieurement depuis la conduite (14) jusqu'à son extrémité de sortie (52) par un convergent (54) ayant une forme générale en S, lequel convergent (54) se relie tangentiellement à la conduite d'alimentation (14).
  13. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est un chalumeau, de préférence un chalumeau monodard.
  14. Utilisation d'un chalumeau, de préférence monodard, selon la revendication 13 dans un procédé d'oxycombustion mettant en oeuvre un mélange gazeux contenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant.
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