EP1606064A2 - Buse de pulverisation de liquide surchauffe - Google Patents

Buse de pulverisation de liquide surchauffe

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EP1606064A2
EP1606064A2 EP04720049A EP04720049A EP1606064A2 EP 1606064 A2 EP1606064 A2 EP 1606064A2 EP 04720049 A EP04720049 A EP 04720049A EP 04720049 A EP04720049 A EP 04720049A EP 1606064 A2 EP1606064 A2 EP 1606064A2
Authority
EP
European Patent Office
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nozzle
liquid
pressure
sprayed
speed
Prior art date
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Application number
EP04720049A
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German (de)
English (en)
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EP1606064B1 (fr
Inventor
Joseph Haiun
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Thermokin
Original Assignee
Joseph Haiun
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Filing date
Publication date
Application filed by Joseph Haiun filed Critical Joseph Haiun
Priority to PL04720049T priority Critical patent/PL1606064T3/pl
Publication of EP1606064A2 publication Critical patent/EP1606064A2/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1606064B1 publication Critical patent/EP1606064B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle for spraying a superheated liquid, in the form of very fine droplets whose average size can be less than 5 microns, at a very high speed that can greatly exceed the speed of sound, for liquid flow rates that can be very important and adjustable in a very wide range, these results being obtained without the assistance of a compressed gas or ultrasound;
  • the term superheated liquid relates to a liquid at a temperature To and a pressure Po greater than the saturated vapor pressure Ps corresponding to To, the vapor pressure Ps itself being greater than the pressure of the gaseous medium in which the liquid is sprayed.
  • the invention also provides arrangements for adjusting the exit section of the nozzle to maintain a maximum supersonic velocity of the sprayed droplets when the pressure or temperature of the sprayed liquid varies, or when the ambient pressure in which the liquid is sprayed varies.
  • This device finds its application in industrial installations requiring the very rapid cooling of a gas by liquid spraying, and thus involving the formation of very small liquid droplets, carried at very high speed.
  • the spraying nozzles are intended for spraying non-superheated liquids by forming a jet of liquid which is broken at the outlet of the nozzle by spiral elements or other elements. ; the device according to the invention does not require the use of such elements, the jet exploding itself under the effect of the overpressure of the liquid.
  • nozzles allow liquid sprays at speeds rarely exceeding the speed of sound, and the average size of the sprayed droplets is rarely less than twenty or fifty microns; the best performance in terms of size and droplet velocities are obtained by the use of a compressed gas in assistance with the spraying, or by ultrasound for the low flow nozzles; finally, these nozzles are not equipped with devices for adjusting the outlet section to maintain a maximum supersonic velocity of the droplets when the pressure or the temperature of the liquid sprayed vary, or when the ambient pressure in which the liquid is sprayed varies.
  • the device according to the invention makes it possible to remedy these drawbacks in special cases where large flow rates of liquids must be sprayed in the form of very fine droplets, at very high speeds, with flow rates, pressure, and temperatures of sprayed liquid. can vary in large proportions, and when the pressure of the medium or the liquid is sprayed can also vary in large proportions.
  • the present invention therefore relates to a device according to the arrangements described below.
  • the invention also aims at the characteristic points and the embodiments described in variants.
  • Device shown in Figure l.A consisting of a nozzle body (1) fixed on a support (0) for supplying superheated liquid; the nozzle body comprises a duct (3) where the superheated liquid circulates, followed by a convergent and several injectors (4) where the superheated liquid is set in speed to open on a diverging nozzle of relaxation and setting speed ( 5); as soon as it enters this nozzle, the jet of liquid evaporates partially and explodes instantly under the effect of its own vapor pressure, to form a mixture of fine droplets and vapor.
  • the generator of the divergent nozzle (5) has a discontinuity, that is to say an angle, at its intersection with that of the injectors (4), and its outlet section is dimensioned so that the mixture is ejected from the nozzle at the pressure P1 of the external medium without formation of a pressure wave in the divergent nozzle (5); the ejection speed of the mixture then corresponds to the maximum ejection speed.
  • the pressure decreases, causing a drop in temperature of the mixture, a continuous evaporation of the liquid, and a continuous speed of steam due to the increase of its flow; under the effect of the friction with the vapor, the droplets of liquid are also put in speed, and the process continues until the outlet orifice (6), or the pressure PI of the mixture is in equilibrium with that of the ambient in which the liquid is sprayed.
  • the mathematical simulation of the flow of the superheated liquid throughout the device shows that the outlet pressure of the injectors (4) is equal to the saturated vapor pressure Ps; as soon as it enters the divergent nozzle, the liquid stream cools, boils instantly, and splits into particles under the effect of the vapor pressure forces internal to the liquid; the size of the particles is related to these splitting forces, which themselves depend on the liquid conductivity, the heat exchange and diffusion coefficients, and the slope of the generator of the divergent nozzle (5) at the junction with the injectors (4); these forces are all the greater, and the size of the particles all the smaller, as this slope approaches the vertical.
  • the flow rate of the sprayed liquid can be modified by changing the pressure Po and the temperature Po of the liquid at the inlet of the nozzle; ideally, the highest particle velocity at the output of the device is obtained when this value pair corresponds to the output section of the divergent nozzle (5).
  • the slope of the generatrix of the divergent nozzle In order to improve the performance of the device, the slope of the generatrix of the divergent nozzle
  • the divergent nozzle (5) can, at the limit, be vertical at its junction with the injectors (4), as shown in Figure A: the divergent nozzle (5) therefore has a flat at its junction with (4); this flat, creating a strong pressure variation, allows the obtaining of very fine droplets and facilitates the machining of the nozzle. If necessary, the divergent nozzle may be partially or totally integrated into the support
  • a spray nozzle according to Figure A consisting of a stainless steel body 20 mm in length, 9 injectors of diameters 0.5 mm, and a divergent nozzle of output diameter. equal to 8 mm, makes it possible to spray 200 k / h of superheated water at 60 bar and 270 ° C in ambient air, at an ejection speed close to 540 m / s,
  • the size of the particles being sprayed being close to 5 microns and their temperature equal to 100 ° C .; nearly 30% of the superheated water inlet flow is in the form of steam at the outlet of the nozzle.
  • the device according to the invention consists of a nozzle body (1) fixed on a support (0) allowing the supply of superheated liquid; the nozzle body comprises a conduit (3) or
  • the 105 circulates the superheated liquid, followed by a convergent and an annular passage section (16) which we will call the Annular Injector, or the superheated liquid is put in speed to open on a diverging nozzle of relaxation and setting speed ( 5); as soon as it enters this nozzle, the jet of liquid evaporates partially and explodes instantly under the effect of its own vapor pressure, to form a mixture of fine droplets and vapor.
  • the generator of the divergent nozzle (5) has a discontinuity, that is to say an angle, at its intersection with that of the annular injector (16), and its outlet section is nnensioned so that the mixture is ejected from the nozzle at the pressure P1 of the external medium without formation of a pressure wave in the divergent nozzle (5); the ejection speed of the mixture then corresponds to the maximum ejection speed.
  • the annular injector is constituted by the free space between a cavity (16), cylindrical for example, and an injection core (8); the method of fixing the injection core on the nozzle body allows the circulation of the liquid to be sprayed into the nozzle.
  • FIG. 2 shows a cylindrical injection core (8) provided with a base (9) having through-holes (10), the base itself being fastened to the conduit of FIG. entry (3).
  • the size of the particles is related to these splitting forces, which themselves depend on the liquid conductivity, the heat exchange and diffusion coefficients, and the slope of the generator of the divergent nozzle (5) at the junction with the injector (16); these forces are all the greater, and the size of the particles all the smaller, as this slope approaches the vertical.
  • the flow rate of the sprayed liquid can be modified by changing the pressure Po and the temperature Po of the liquid at the inlet of the nozzle; ideally, the highest particle velocity at the output of the device is obtained when this value pair corresponds to the output section of the divergent nozzle (5).
  • the slope of the generatrix of the divergent nozzle In order to improve the performance of the device, the slope of the generatrix of the divergent nozzle
  • the divergent nozzle (5) can, at its junction with the generatrix of the cavity (16), be at Kmite perpendicular to the axis of this cavity, as shown in Figure 1.A: the divergent nozzle (5) therefore has a increased section brutal to the output of the injector (16); this abrupt increase in section creates a strong pressure variation and allows very fine droplets to be obtained; Moreover, it facilitates the machining of the nozzle.
  • the diverging nozzle may be partially or totally integrated with the external support (0), as shown in FIG.
  • a spray nozzle according to Figure 2 consisting of a stainless steel body 50 mm in length, an annular injector having a hole of diameter 5 mm and a diameter injection core 4 mm, and a divergent nozzle 50 output diameter equal to 16 mm, can spray 800 k / h of superheated water at 60 bar and 270 ° C in ambient air, at a speed of ejection close to 540 m / s, the size of the particles sprayed being close to 5 microns and their temperature equal to 100 ° C; nearly 30% of the superheated water inlet flow is in the form of steam at the outlet of the nozzle.
  • the device according to the invention consists of a nozzle body (1) fixed on a support (0) allowing the supply of superheated liquid; the nozzle body comprises a conduit (3) or circulates the superheated liquid, followed by a convergent and one or more injectors (4) or the
  • the shape of the downstream generator (12B) of the core (11) is indifferent, and can either be flat, ie constitute a flat bottom, or have an aerodynamic profile to limit the pressure drop of the mixture after its output of the spray nozzle, or be adapted to other constraints of the environment of the nozzle.
  • the generatrix of the divergent nozzle (5) has a discontinuity, ie an angle, at its
  • the core (11) is supported by a mechanism for adjusting from the outside its relative position relative to the nozzle (5) this mechanism can indifferently be incorporated in the nozzle or be external; the non-exhaustive example of Figure 3 shows a core supported by an axis (13) passing through the spray nozzle, and having at its end a base (9) provided with holes
  • the pressure decreases, causing a drop in temperature of the mixture, a continuous evaporation of the liquid, and a continuous speed of steam due to the increase of its flow; under the effect of friction with the vapor, the droplets of liquid are also accelerated, and the process continues to the outlet orifice, or the pressure P1 of the mixture is in equilibrium with that of the gaseous medium wherein the liquid is sprayed.
  • the mathematical simulation of the flow of the superheated liquid throughout the device shows that the pressure at the output of the injector (16) is equal to the saturated vapor pressure Ps; 200 as soon as it enters the divergent nozzle, the liquid stream cools, instantly boils, and splits into particles under the effect of vapor pressure forces internal to the liquid; the size of the particles is related to these splitting forces, which themselves depend on the liquid conductivity, the heat exchange and diffusion coefficients, and the slope of the generator of the divergent nozzle (5) at the junction with the injector (16); these forces are
  • the flow rate of the sprayed liquid can be modified by changing the pressure Po and the temperature To of the liquid at the inlet of the nozzle.
  • the slope of the generatrix of the divergent nozzle (5) can, at its junction with the generatrix of the cavity (16), be at the limit perpendicular to the axis of this cavity, as shown in FIG. 3: the divergent nozzle (5) therefore has a sharp section increase with respect to the output of the injector (16); this sudden increase in section creates a strong variation of pressure and allows the obtaining of very fine
  • the diverging nozzle may be partially or totally integrated with the external support (0), as shown in FIG.
  • a spray nozzle according to FIG. 3 consisting of a stainless steel body 80 mm long, 9 injectors 0.5 mm in diameter, a nozzle
  • 220 diverging output diameter equal to 23 mm, and a core diameter of up to 80 mm, can spray 200 k / h of superheated water at 60 bar and 270 ° C in air whose PI pressure varies from ambient pressure to 0.1 bar A, the extreme conditions of ejection being: -For air at ambient pressure: an ejection speed close to 540 m / s, and a particle size sprayed close to 5 microns at a temperature of 100 ° C; nearly 30%
  • 225 of the superheated water inlet flow are in the form of steam at the outlet of the nozzle.
  • FIG. 4 represents a device provided with a system
  • the core (11) is subjected to the force of the spring (11) tending to introduce it into the nozzle (5), and to the static and dynamic pressure forces of the mixture flow. These are directly related to the flow rate and temperature To of the superheated water at the inlet of the nozzle, the pressure PI output, and the output slopes of the generators (5) and (11); they tend to extract the core (11) from the divergent nozzle
  • a spray nozzle according to FIG. 4 consisting of the same elements as those of the example of variant 3 but including the system
  • VARIANT 5 ', 65 Device shown in Figure 5 to improve the variants 3 and 4 to increase their capacity and facilitate manufacture, replacing the cylindrical injectors (4) by an annular injector (16) .
  • the annular injector is constituted by the free space between a cavity (16), cylindrical for example, and an injection core (8); the mode of attachment of the injection core to the nozzle body 70 allows the circulation of the liquid to be sprayed into the nozzle.
  • the non-exhaustive example of Figure 5 shows a cylindrical injection core (8) provided with a base (9) having through holes (10) for the circulation of the liquid to be sprayed.
  • a spray nozzle according to Figure 5 consisting of a stainless steel body length 50 m, an annular injector having a hole of 75 diameter 5 mm and a core diameter of 4 mm. , and a divergent nozzle with an outlet diameter equal to 16 m, makes it possible to spray 800 kh of superheated water at 60 bar and 270 ° C into air in air whose pressure P varies from 1 bar A to 0.1 bar A, the extreme conditions of ejection being: For air at 1 bar A: an ejection speed close to 540 ms, and a particle size 280 pulverized close to 5 microns at a temperature equal to 100 ° C .; nearly 30% of the superheated water inlet flow is in the form of steam at the outlet of the nozzle.
  • FIG. 6 shows a conical shaped injection core (15).
  • FIG. 7 shows a cylindrical shaped injection core (15) 295 provided with semi-cylindrical outer cells (19) parallel to the axis of (15), of different lengths, each constituting a section passage for the liquid to be sprayed; the number of cells (19) opening on the nozzle (5), and therefore the passage section of the injector, are directly related to the position of the core (11) in the nozzle (5).
  • the device according to the invention finds its applications in the following industrial processes; -Chemical processes requiring the very rapid cooling of industrial gases, -Crime processes and food industry requiring the use of liquids sprayed in the form of particles of very small dimensions, -Processes requiring the use of liquids sprayed at very high speeds: facilities

Landscapes

  • Nozzles (AREA)
  • Special Spraying Apparatus (AREA)

Description

BUSE DE PULVERISATION DE LIQUIDE SURCHAUFFE
DESCRIPTION
La présente invention concerne une buse destinée à pulvériser un Liquide Surchauffé, sous formes de très fines gouttelettes dont la dimension moyennes peut être inférieure à 5 microns, à une vitesse très élevée pouvant largement dépasser la vitesse du son, pour des débits de liquides pouvant être très importants et ajustables dans une très large plage, ces résultats étant obtenus sans l'assistance d'un gaz comprimé ou d'ultrasons ; le terme Liquide Surchauffé concerne un liquide à une température To et une pression Po supérieure à la tension de vapeur saturée Ps correspondante à To, la tension de vapeur Ps étant elle-même supérieure à la pression du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé. L'invention vise également des aménagements destinés à ajuster la section de sortie de la buse afin de conserver une vitesse supersonique maximale des gouttelettes pulvérisées lorsque la pression ou la température du liquide pulvérisé varient, ou lorsque la pression du milieu ambiant dans lequel le liquide est pulvérisé varie. Ce dispositif trouve son application dans les installations industrielles nécessitant le refroidissement très rapide d'un gaz par pulvérisation de liquide, et impliquant donc la formation de très fines gouttelettes de liquide, portées à très haute vitesse .
Dans l'état actuel de la technique, les buses de pulvérisations sont destinées à pulvériser des liquides non surchauffés, par formation d'un jet de liquide qui est brisé à la sortie de la buse par des éléments en spirale ou par d'autres éléments ; le dispositif selon l'invention ne nécessite pas l'utilisation de tels éléments, le jet explosant de lui-même sous l'effet de la surpression du liquide.
Par ailleurs, les buses classiques permettent des pulvérisations de liquide à des vitesses dépassant rarement la vitesse du son, et la dimension moyenne des gouttelettes pulvérisées est rarement inférieure à vingt ou cinquante microns ; les meilleures performances en terme de dimensions et de vitesses des gouttelettes sont obtenues par l'utilisation d'un gaz comprimé en assistance à la pulvérisation , ou par des ultra-sons pour les buses de faible débit ; enfin, ces buses ne sont pas équipées de dispositifs destinés à ajuster la section de sortie pour conserver une vitesse supersonique maximale des gouttelettes lorsque la pression ou la température du liquide pulvérisé varient, ou lorsque la pression du milieu ambiant dans lequel le liquide est pulvérisé varie.
Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients dans les cas particuliers ou d'importants débits de liquides doivent être pulvérisés sous forme de très fines gouttelettes, à de très grandes vitesses, avec des débits, pression, et températures de liquide pulvérisé pouvant varier dans de fortes proportions, et lorsque la pression du milieu ou le liquide est pulvérisé peut elle aussi varier dans de fortes proportions.
La présente invention a donc pour objet un dispositif selon les dispositions décrites ci après.
L'invention vise également les points caractéristiques et les formes de réalisations décrites en variantes.
VERSION 1
Dispositif représenté sur la figure l.A, constitué d'un corps de buse (1) fixé sur un support (0) permettant l'alimentation en Liquide Surchauffé ; le corps de buse comporte un conduit (3) ou circule le liquide surchauffé, suivi d'un convergent et de plusieurs injecteurs (4) ou le liquide surchauffé est mis en vitesse pour déboucher sur une tuyère divergente de détente et de mise en vitesse (5) ; dès son entée dans cette tuyère, le jet de liquide s'évapore partiellement et explose instantanément sous l'effet de sa propre tension de vapeur, pour constituer une mixture de fines gouttelettes et de vapeur. La génératrice de la tuyère divergente (5) présente une discontinuité, c'est à dire un angle, à son intersection avec celle des l'injecteurs (4), et sa section de sortie est dimensionnée pour que la mixture soit éjectée de la buse à la pression PI du milieu externe sans formation d'une onde de pression dans la tuyère divergente (5) ; la vitesse d'éjection de la mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale. Lors de l'écoulement de la mixture tout au long de la tuyère divergente (5) la pression diminue, provoquant une baisse de température de la mixture, une évaporation continue du liquide, et une mise en vitesse continue de la vapeur due à l'accroissement de son débit ; sous l'effet du frottement avec la vapeur, les gouttelettes de liquide sont elles aussi mises en vitesse, et le processus continue jusqu'à l'orifice de sortie (6), ou la pression PI de la mixture est en équilibre avec celle du milieu ambiant dans lequel le liquide est pulvérisé .
La simulation mathématique de l'écoulement du Liquide Surchauffé tout au long du dispositif montre que la pression en sortie des injecteurs (4) est égale à la tension de vapeur saturée Ps ; dès son entrée dans la tuyère divergente, le flux liquide se refroidit, se met instantanément en ébullition, et se scinde en particules sous l'effet des forces de tension de vapeur internes au liquide ; la taille des particules est liée à ces forces de scission, qui dépendent elles-mêmes de la conductivité du liquide, des coefficient d'échange de chaleur et de diffusion, et de la pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) à la jonction avec les injecteurs (4) ; ces forces sont d'autant plus grandes, et la taille des particules d'autant plus petite, que cette pente se rapproche de la verticale. 80 Dans un dispositif dimensionné pour une application prédéfinie, le débit de liquide pulvérisé peut être modifié par modification de la pression Po et de la température Po du liquide à l'entrée de la buse ; idéalement, la vitesse de particule la plus élevée en sortie du dispositif est obtenue lorsque ce couple de valeur correspond à la section de sortie de la tuyère divergente (5). Afin d'améliorer les performances du dispositif, la pente de la génératrice de la tuyère divergente
85 (5) peut, à la limite, être verticale à sa jonction avec les injecteurs (4), comme représenté sur la figure A : la tuyère divergente (5) présente donc un méplat à sa jonction avec (4) ; ce méplat, créant une forte variation de pression, permet l'obtention de très fines gouttelettes et facilite l'usinage de la buse. Si nécessaire, la tuyère divergente peut être partiellement ou totalement intégrée au support
90 externe (0), comme représenté sur la figure 1.B.
À titre d'exemple de réalisation, une buse de pulvérisation selon la figure A, constituée d'un corps en acier inoxydable de longueur 20 mm, de 9 injecteurs de diamètres 0,5 mm, et d'une tuyère divergente de diamètre de sortie égal à 8 mm, permet de pulvériser 200 k/h d'Eau Surchauffée à 60 bar et 270 °C dans de l'air ambiant, à une vitesse d'éjection voisine de 540 m/s,
95 la dimension des particules pulvérisées étant voisine de 5 microns et leur température égale à 100 °C ; près de 30 % du débit d'entrée d'Eau Surchauffée se retrouvent sous forme de vapeur à la sortie de la buse.
VARIANTE 2
100 Dispositif représenté sur la figure 2, permettant de simplifier le concept de la buse de pulvérisation, d'accroître sa capacité, et d'en faciliter la fabrication, en remplaçant les injecteurs cylindriques (4) par un injecteur annulaire (16). ..
Le dispositif selon l'invention est constitué d'un corps de buse (1) fixé sur un support (0) permettant l'alimentation en Liquide Surchauffé ; le corps de buse comporte un conduit (3) ou
105 circule le Liquide Surchauffé, suivi d'un convergent et d'une section de passage annulaire (16) que nous dénommerons Injecteur Annulaire, ou le Liquide Surchauffé est mis en vitesse pour déboucher sur une tuyère divergente de détente et de mise en vitesse (5) ; dès son entée dans cette tuyère, le jet de liquide s'évapore partiellement et explose instantanément sous l'effet de sa propre tension de vapeur, pour constituer une mixture de fines gouttelettes et de vapeur .
110 La génératrice de la tuyère divergente (5) présente une discontinuité, c'est à dire un angle, à son intersection avec celle de l'injeçteur annulaire (16), et sa section de sortie est ditnensionnée pour que la mixture soit éjectée de la buse à la pression PI du milieu externe sans formation d'une onde de pression dans la tuyère divergente (5) ; la vitesse d'éjection de la mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale.
115 L'injeçteur annulaire est constitué par l'espace libre compris entre une cavité (16), cylindrique par exemple, et un noyau d'injection (8) ; le mode de fixation du noyau d'injection sur le corps de buse permet la circulation du liquide à pulvériser dans la buse. A titre d'exemple non exhaustif, la figure 2 représente un noyau d'injection cylindrique (8) muni d'une embase (9) comportant des trous de passage (10), l'embase étant elle-même fixée sur le conduit d'entrée (3). 120 Lors de l'écoulement de la mixture tout au long de la tuyère divergente (5) la pression diminue, provoquant une baisse de température de la mixture, une évaporation continue du liquide, et une mise en vitesse continue de la vapeur due à l'accroissement de son débit ; sous l'effet du frottement avec la vapeur, les gouttelettes de liquide sont elles aussi mises en vitesse, et le processus continue jusqu'à l'orifice de sortie, ou la pression PI de la mixture est en équilibre
125 avec celle du milieu ambiant dans lequel le liquide est pulvérisé.
La simulation mathématique de l'écoulement du Liquide Surchauffé tout au long du dispositif montre que la pression en sortie de l'injeçteur (16) est égale à la tension de vapeur saturée Ps ; dès son entrée dans la tuyère divergente, le flux liquide se refroidit, se met instantanément en ébullition, et se scinde en particules sous l'effet des forces de tension de vapeur internes au
130 liquide ; la taille des particules est liée à ces forces de scission, qui dépendent elles-mêmes de la conductivité du liquide, des coefficient d'échange de chaleur et de diffusion, et de la pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) à la jonction avec l'injeçteur (16) ; ces forces sont d'autant plus grandes, et la taille des particules d'autant plus petite, que cette pente se rapproche de la verticale.
135 Dans un dispositif dimensionné pour une application prédéfinie, le débit de liquide pulvérisé peut être modifié par modification de la pression Po et de la température Po du liquide à l'entrée de la buse ; idéalement, la vitesse de particule la plus élevée en sortie du dispositif est obtenue lorsque ce couple de valeur correspond à la section de sortie de la tuyère divergente (5). Afin d'améliorer les performances du dispositif, la pente de la génératrice de la tuyère divergente
140 (5) peut, à sa jonction avec la génératrice de la cavité (16), être à la Kmite perpendiculaire à l'axe de cette cavité, comme représenté sur la figure 1.A : la tuyère divergente (5) présente donc un accroissement de section brutal par rapport à la sortie de l'injeçteur (16) ; cet accroissement brutal de section créé une forte variation de pression et permet l'obtention de très fines gouttelettes ; par ailleurs, il facilite l'usinage de la buse.
145 Si nécessaire, la tuyère divergente peut être partiellement ou totalement intégrée au support externe (0), comme représenté sur la figure l.B.
A titre d'exemple de réalisation, une buse de pulvérisation selon la figure 2, constituée d'un corps en acier inoxydable de longueur 50 mm, d'un injecteur annulaire comportant un trou de diamètre 5 mm et un noyau d'injection de diamètre 4 mm, et d'une tuyère divergente de diamètre 50 de sortie égal à 16 mm, permet de pulvériser 800 k/h d'eau surchauffée à 60 bar et 270 °C dans de l'air ambiant, à une vitesse d'éjection voisine de 540 m/s, la dimension des particules pulvérisées étant voisine de 5 microns et leur température égale à 100 °C ; près de 30 % du débit d'entrée d'eau surchauffée se retrouvent sous forme de vapeur à la sortie de la buse.
55 VARIANTE S
Dispositif représenté sur la figure 3 permettant, pour une même buse de pulvérisation, de modifier à volonté le débit, la Pression Po, ou la Température To du Liquide Surchauffée à l'entrée, ainsi que la Pression PI du milieu gazeux dans lequel liquide est pulvérisé, tout en conservant une vitesse d'éjection maximale des gouttelettes pulvérisées en sortie du dispositif, ce 160 résultat étant obtenu par l'insertion contrôlée d'un noyau profilé (11) dans la tuyère divergente (5).
Le dispositif selon l'invention est constitué d'un corps de buse (1) fixé sur un support (0) permettant l'alimentation en Liquide Surchauffé ; le corps de buse comporte un conduit (3) ou circule le Liquide Surchauffé, suivi d'un convergent et d'un ou de plusieurs injecteurs (4) ou le
165 Liquide Surchauffé est mis en vitesse pour déboucher sur une tuyère divergente de détente et de mise en vitesse (5) ; dès son entée dans cette tuyère, le jet de liquide s'évapore partiellement et explose instantanément sous l'effet de sa propre tension de vapeur, pour constituer une mixture de fines gouttelettes et de vapeur . Un noyau profilé (11), pouvant coulisser dans l'axe de la tuyère divergente (5) permet, selon sa
170 position, de régler la section de sortie de cette tuyère ; les profils continus et monotones des génératrices de la tuyère divergente (5) et du noyau (11) permettent de conserver une section de passage croissante entre (5) et (11) tout au long de l'axe de la tuyère, quelle que soit la position du noyau (11) ; à titre d'exemple non exhaustif, des profils de génératrices correspondant à des variations de sections linéaires ou paraboliques permettent de satisfaire cette exigence.
175 La forme de la génératrice aval (12B) du noyau (11) est indifférente, et peut soit être plate, c'est à dire constituer un fond plat, soit avoir un profil aérodynamique pour limiter les pertes de charge de la mixture après sa sortie de la buse de pulvérisation, soit être adaptée à d'autres contraintes de l'environnement de la buse. La génératrice de la tuyère divergente (5) présente une discontinuité, c'est à dire un angle, à son
180 intersection avec celle des injecteurs (4).
Le noyau (11) est soutenu par un mécanisme permettant de régler depuis l'extérieur sa position relative par rapport à la tuyère (5) ce mécanisme peut indifféremment être incorporé à la buse ou être externe ; l'exemple non exhaustif de la figure 3 montre un noyau soutenu par un axe (13) traversant la buse de pulvérisation, et comportant à son extrémité une embase (9) munie de trous
[85 (10) permettant le passage du liquide à pulvériser ; un filetage (17) sur cette embase et sur le conduit (3) permet de régler les positions relatives du noyau et de la tuyère. Quels que soient le débit de liquide à pulvériser, sa pression Po, et sa température Po, et quelle que soit la pression PI du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé, la section de sortie de la buse peut être réglée pour que la mixture soit éjectée de la buse à la pression PI sans 90 formation d'une onde de pression dans la tuyère divergente (5) ; la vitesse d'éjection de la mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale.
Lors de l'écoulement de la mixture tout au long de la tuyère divergente (5) la pression diminue, provoquant une baisse de température de la mixture, une évaporation continue du liquide, et une mise en vitesse continue de la vapeur due à l'accroissement de son débit ; sous l'effet du 95 frottement avec la vapeur, les gouttelettes de liquide sont elles aussi mises en vitesse, et le processus continue jusqu'à l'orifice de sortie, ou la pression PI de la mixture est en équilibre avec celle du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé.
La simulation mathématique de l'écoulement du Liquide Surchauffé tout au long du dispositif montre que la pression en sortie de l'injeçteur (16) est égale à la tension de vapeur saturée Ps ; 200 dès son entrée dans la tuyère divergente, le flux liquide se refroidit, se met instantanément en ébullition, et se scinde en particules sous l'effet des forces de tension de vapeur internes au liquide ; la taille des particules est liée à ces forces de scission, qui dépendent elles-mêmes de la conductivité du liquide, des coefficient d'échange de chaleur et de diffusion, et de la pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) à la jonction avec l'injeçteur (16) ; ces forces sont
205 d'autant plus grandes, et la taille des particules d'autant plus petite, que cette pente se rapproche de la verticale.
Dans un dispositif dimensionné pour une application prédéfinie, le débit de liquide pulvérisé peut être modifié par modification de la pression Po et de la température To du liquide à l'entrée de la buse.
210 Afin d'améliorer les performances du dispositif, la pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) peut, à sa jonction avec la génératrice de la cavité (16), être à la limite perpendiculaire à l'axe de cette cavité, comme représenté sur la figure 3 : la tuyère divergente (5) présente donc un accroissement de section brutal par rapport à la sortie de l'injeçteur (16) ; cet accroissement brutal de section créé une forte variation de pression et permet l'obtention de très fines
215 gouttelettes ; par ailleurs, il facilite l'usinage de la buse.
Si nécessaire, la tuyère divergente peut être partiellement ou totalement intégrée au support externe (0), comme représenté sur la figure l.B.
A titre d'exemple de réalisation, une buse de pulvérisation selon la figure 3, constituée d'un corps en acier inoxydable de longueur 80 mm, de 9 injecteurs de diamètres 0,5 mm, d'une tuyère
220 divergente de diamètre de sortie égal à 23 mm, et d'un noyau de diamètre maximum 80 mm, permet de pulvériser 200 k/h d'Eau Surchauffée à 60 bar et 270 °C dans de l'air dont la pression PI varie de la pression ambiante à 0,1 bar A , les conditions extrêmes d'éjection étant : -Pour l'air à la pression ambiante : une vitesse d'éjection voisine de 540 m/s, et une dimension de particules pulvérisées voisine de 5 microns à une température égale à 100 °C ; près de 30 %
225 du débit d'entrée d'eau surchauffée se retrouvent sous forme de vapeur à la sortie de la buse. -Pour l'air à la pression de 0,1 bar A : une vitesse d'éjection voisine de 700 m/s, et une dimension de particules pulvérisées voisine de 5 microns à une température égale à 46 °C ; près de 31 % du débit d'entrée d'eau surchauffée se retrouvent sous forme de vapeur à la sortie de la buse.
230
VARIANTE 4
Dispositif représenté sur la figure 4, permettant d'améliorer le fonctionnement de la variante 3 en automatisant le positionnement du noyau (11) dans la tuyère divergente (5). Le système d'automatisation agit sur le mécanisme de soutien et de positionnement du noyau 235 (11) pour que la section de sortie de la buse corresponde aux débit, Pression Po, et Température To de l'eau surchauffée à l'entrée, ainsi qu'à la Pression PI du milieu gazeux dans lequel liquide est pulvérisé, afin que la vitesse d'éjection des gouttelettes pulvérisées en sortie du dispositif soit maximale ; il peut indifféremment être incorporé à la buse de pulvérisation, ou être externe . L'exemple non exhaustif de la figure 4 représente un dispositif muni d'un système
240 d'automatisation incorporé à la buse de pulvérisation ; les éléments qui le constituent sont identiques à ceux de la figure 3, excepté que le filetage (18) du méplat (9) solidaire du noyau est supprimé pour être remplacé par un ressort de rappel (14) tendant à faire pénétrer le noyau (11) dans la tuyère divergente (5) ; un filetage et une vis (18) permettent de régler la tension du ressort de rappel (11).
245 Lors du fonctionnement de la buse, le noyau (11) est soumis à la force du ressort (11) tendant à l'introduire dans la tuyère (5), et aux forces de pression statique et dynamique du flux de mixture . Ces dernières sont directement liées au débit et à la Température To de l'eau surchauffée à l'entrée de la buse, à la Pression PI en sortie, et aux pentes de sorties des génératrices de (5) et de (11) ; elles ont tendance à extraire le noyau (11) de la tuyère divergente
250 (5).
Ces forces opposées s'équilibrent pour une position donnée du noyau ; cette position peut être ajustée par la vis (18) lors d'un cas de fonctionnement donné, afin que la mixture soit éjectée de la buse à la pression de sortie PI sans formation d'une onde de pression dans la tuyère divergente (5) : la vitesse d'éjection de la mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale.
.55 La rigidité du ressort de rappel (11) et la pente de sortie de la tuyère (5) sont définis pour que ces conditions d'éjection optimales soient obtenues pour tous les autres cas de fonctionnement de la buse, sans qu'il soit nécessaire de réajuster la vis (18).
A titre d'exemple de réalisation, une buse de pulvérisation selon la figure 4, constituée des mêmes éléments que ceux de l'exemple de la variante 3 mais incluant le système
»60 d'automatisation de position du noyau (11) tel que défini ci-dessus, conduit aux mêmes performances, sans qu'il soit nécessaire d'intervenir quand le débit de la buse varie ou quand la pression du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé varie.
VARIANTE 5 ',65 Dispositif représenté sur la figure 5, permettant d'améliorer les variantes 3 et 4 afin d'accroître leur capacité et d'en faciliter la fabrication, en remplaçant les injecteurs cylindriques (4) par un injecteur annulaire (16).
L'injeçteur annulaire est constitué par l'espace libre compris entre une cavité (16), cylindrique par exemple, et un noyau d'injection (8) ; le mode de fixation du noyau d'injection sur le corps 70 de buse permet la circulation du liquide à pulvériser dans la buse. L'exemple non exhaustif de la figure 5 représente un noyau d'injection cylindrique (8) muni d'une embase (9) comportant des trous de passage (10) permettant la circulation du liquide à pulvériser.
A titre d'exemple de réalisation, une buse de pulvérisation selon la figure 5, constituée d'un corps en acier inoxydable de longueur 50 m, d'un injecteur annulaire comportant un trou de 75 diamètre 5 rnm et un noyau de diamètre 4 mm, et d'une tuyère divergente de diamètre de sortie égal à 16 m , permet de pulvériser 800 k h d'Eau Surchauffée à 60 bar et 270 °C dans de l'air dans de l'air dont lapressionPl varie de 1 bar A à 0,1 bar A , les conditions extrêmes d'éjection étant : -Pour l'air à 1 bar A : une vitesse d'éjection voisine de 540 m s, et une dimension de particules 280 pulvérisées voisine de 5 microns à une température égale à 100 °C ; près de 30 % du débit d'entrée d'eau surchauffée se retrouvent sous forme de vapeur à la sortie de la buse. -Pour l'air à la pression de 0,1 bar A : une vitesse d'éjection voisine de 700 m/s, et une dimension de particules pulvérisées voisine de 5 microns à une température égale à 46 °C ; près de 31 % du débit d'entrée d'eau surchauffée se retrouvent sous forme de vapeur à la sortie de la 285 buse.
VARIANTE 6
Dispositif représenté sur la figure 6, permettant d'améliorer les variantes 2 et 5 afin d'accroître leur souplesse d'utilisation, en remplaçant le noyau d'injection (8) de l'injeçteur annulaire par un 290 noyau d'injection profilé (15) de section variable croissante dans le sens de l'écoulement et pouvant coulisser dans l'axe de la cavité (4), la section de sortie de l'injeçteur pouvant alors être réglée en ajustant la position du noyau d'injection profilé (15) par rapport à la cavité (4) .
L'exemple non exhaustif de la figure 6 représente un noyau d'injection profilé (15) conique.
L'exemple non exhaustif de la figure 7 représente un noyau d'injection profilé (15) cylindrique 295 muni d'alvéoles externes semi-cylindriques(19) parallèles à l'axe de (15), de longueurs différentes, constituant chacune une section de passage pour le liquide à pulvériser ; le nombre d'alvéoles (19) débouchant sur la tuyère (5), et donc la section de passage de l'injeçteur, sont directement liés à la position du noyau (11) dans la tuyère (5) .
A titre d'exemple de réalisation, une buse de pulvérisation selon la figure 6, de dimensions 300 identiques à celle de l'exemple de réalisation de la variante 5 et comportant un noyau d'injection profilé conique de diamètres extrêmes 4 mm et 5 mm, présente les mêmes performances que celles de la variante 5, mais le débit d'eau pulvérisé peut être ajusté de 100 à 800 kg/h.
APPLICATIONS INDUSTRIELLES de L'INVENTION
305 Le dispositif selon l'invention trouve ses applications dans les procédés industriels suivants ; -Procédés chimiques nécessitant le refroidissement très rapide de gaz industriels, -Procédés criimiques et industrie agroalimentaire nécessitant l'utilisation de liquides pulvérisés sous forme de particules de très petites dimensions, -Procédés nécessitant l'utilisation de liquides pulvérisés à de très hautes vitesses : installations
310 d'essais, installations énergétiques, compresseurs thermocinétiques, etc..

Claims

REVENDICATIONS
315
1) Dispositif destinée à pulvériser un Liquide Surchauffé, sous formes de très fines gouttelettes de dimensions moyennes pouvant être inférieure à 5 microns, à une vitesse très élevée
320 pouvant dépasser la vitesse du son, pour des débits de liquides pouvant être très importants, le terme Liquide Surchauffé concernant un liquide à une température To et une pression Po supérieure à la tension de vapeur saturée Ps correspondante à To la tension de vapeur Ps étant elle-même supérieure à la pression du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé, caractérisé en ce qu'il ne nécessite pas l'assistance d'un gaz comprimé ou d'ultrasons, ne
325 comporte pas d'éléments destinés à briser un jet de liquide, et qu'il est constitué d'un corps de buse (1) fixé sur un support (0) permettant l'alimentation en Liquide Surchauffé : le corps de buse comporte un conduit (3) ou circule le Liquide Surchauffé, suivi d'un convergent et de plusieurs injecteurs (4) ou le Liquide Surchauffé est mis en vitesse pour déboucher sur une tuyère divergente de détente et de mise en vitesse (5) ; dès son entée dans cette tuyère, le jet
330 de liquide s'évapore partiellement et explose instantanément sous l'effet de sa propre tension de vapeur, pour constituer une mixture de fines gouttelettes et de vapeur. La génératrice de la tuyère divergente (5) présente une discontinuité, c'est à dire un angle, à son intersection avec celle des l'injecteurs (4), et sa section de sortie est dimensionnée pour que la mixture soit éjectée de la buse à la pression PI du milieu externe sans formation d'une
335 onde de pression dans la tuyère divergente (5) ; la vitesse d'éjection de la mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale.
La pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) peut, à la limite, être verticale à sa jonction avec les injecteurs (4). La tuyère divergente peut être partiellement ou totalement intégrée au support externe (0)
340
2) Dispositif destinée à pulvériser un Liquide Surchauffé, sous formes de très fines gouttelettes de dimension moyenne pouvant être inférieure à 5 microns, à une vitesse très élevée pouvant dépasser la vitesse du son, pour des débits de liquides pouvant être très importants, le terme Liquide Surchauffé concernant un liquide à une température To et une pression Po supérieure
45 à la tension de vapeur saturée Ps correspondante à To la tension de vapeur Ps étant elle-même supérieure à la pression du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé, caractérisé en ce qu'il ne nécessite pas l'assistance d'un gaz comprimé ou d'ultrasons, ne comporte pas d'éléments destinés à briser un jet de liquide, et qu'il est constitué d'un corps de buse (1) fixé sur un support (0) permettant l'alimentation en Liquide Surchauffé : le corps de buse
50 comporte un conduit (3) ou circule le Liquide Surchauffé, suivi d'un convergent et d'une section de passage annulaire (16) que nous dénommerons Injecteur Annulaire, ou le Liquide Surchauffé est mis en vitesse pour déboucher sur une tuyère divergente de détente et de mise en vitesse (5) ; dès son entée dans cette tuyère, le jet de liquide s'évapore partiellement et explose instantanément sous l'effet de sa propre tension de vapeur, pour constituer une
355 mixture de fines gouttelettes et de vapeur .
La génératrice de la tuyère divergente (5) présente une discontinuité, c'est à dire un angle, à son intersection avec celle de l'injeçteur annulaire (16), et sa section de sortie est dimensionnée pour que la mixture soit éjectée de la buse à la pression PI du milieu externe sans formation d'une onde de pression dans la tuyère divergente (5) ; la vitesse d'éjection de
360 la mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale.
L'injeçteur annulaire est constitué par l'espace libre compris entre une cavité (16), cylindrique par exemple, et un noyau d'injection (8) ; le mode de fixation du noyau d'injection sur le corps de buse permet la circulation du liquide à pulvériser dans la buse. La pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) peut, à sa jonction avec la génératrice de
165 la cavité (16), être perpendiculaire à l'axe de cette cavité, comme représenté sur la figure A.
Si nécessaire, la tuyère divergente peut être partiellement ou totalement intégrée au support externe (0).
3) Dispositif destinée à pulvériser un Liquide Surchauffé, sous formes de très fines gouttelettes 70 de dimension moyenne pouvant être inférieure à 5 microns, à une vitesse très élevée pouvant dépasser la vitesse du son, pour des débits de liquides pouvant être très importants, et permettant, pour une même buse de pulvérisation, de modifier à volonté le débit, la Pression Po, ou la Température To du Liquide surchauffé à l'entrée, ainsi que la Pression PI du milieu gazeux dans lequel liquide est pulvérisé, tout en conservant une vitesse d'éjection maximale 75 des gouttelettes pulvérisées en sortie du dispositif, le terme Liquide Surchauffé concernant un liquide à une température To et une pression Po supérieure à la tension de vapeur saturée Ps correspondante à To la tension de vapeur Ps étant elle-même supérieure à la pression du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé, caractérisé en ce qu'il ne nécessite pas l'assistance d'un gaz comprimé ou d'ultrasons, ne comporte pas d'éléments destinés à briser un jet de 50 liquide, et qu'il est constitué d'un corps de buse (1) fixé sur un support (0) permettant l'alimentation en Liquide Surchauffé : le corps de buse comporte un conduit (3) ou circule le Liquide Surchauffé, suivi d'un convergent et d'un ou de plusieurs injecteurs (4) ou le Liquide Surchauffé est mis en vitesse pour déboucher sur une tuyère divergente de détente et de mise en vitesse (5) ; dès son entée dans cette tuyère, le jet de liquide s'évapore partiellement et explose 5 instantanément sous l'effet de sa propre tension de vapeur, pour constituer une mixture de fines gouttelettes et de vapeur .
Un noyau profilé (11), pouvant coulisser dans l'axe de la tuyère divergente (5) permet, selon sa position, de régler la section de sortie de cette tuyère ; les profils continus et monotones des génératrices de la tuyère divergente (5) et du noyau (11) permettent de conserver une section de 0 passage croissante entre (5) et (11) tout au long de l'axe de la tuyère, quelle que soit la position du noyau (11) . La génératrice de la tuyère divergente (5) présente une discontinuité, c'est à dire un angle, à son intersection avec celle des injecteurs (4).
Le noyau (11) est soutenu par un mécanisme permettant de régler depuis l'extérieur sa position 395 relative par rapport à la tuyère (5).
Quels que soient le débit de liquide à pulvériser, sa pression Po, et sa température Po, et quelle que soit la pression PI du milieu gazeux dans lequel le liquide est pulvérisé, la section de sortie de la buse peut être réglée pour que la mixture soit éjectée de la buse à la pression PI sans formation d'une onde de pression dans la tuyère divergente (5) ; la vitesse d'éjection de la 400 mixture correspond alors à la vitesse d'éjection maximale.
La pente de la génératrice de la tuyère divergente (5) peut, à sa jonction avec la génératrice de la cavité (16), être perpendiculaire à l'axe de cette cavité.
Si nécessaire, la tuyère divergente peut être partiellement ou totalement intégrée au support externe (0) . 405
4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le positionnement du noyau (11) dans la tuyère divergente (5) est automatisé, le système d'automatisation agissant sur le mécanisme de soutien et de positionnement du noyau (11) pour que la section de sortie de la buse corresponde aux débit, Pression Po, et Température To du Liquide Surchauffé à l'entrée, ainsi
410 qu'à la Pression PI du milieu gazeux dans lequel liquide est pulvérisé, afin que la vitesse d'éjection des gouttelettes pulvérisées en sortie du dispositif soit maximale ; le système d'automatisation peut indifféremment être incorporé à la buse de pulvérisation, ou externe .
5) Dispositif selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce qu'il permet d'accroître leur 415 capacité et d'en faciliter la fabrication, en remplaçant les injecteurs cylindriques (4) par un injecteur annulaire (16). L'injeçteur annulaire est constitué par l'espace libre compris entre une cavité (16), cylindrique par exemple, et un noyau d'injection (8) ; le mode de fixation du noyau d'injection sur le corps de buse permet la circulation du liquide à pulvériser dans la buse.
120 6) Dispositif selon les revendications 2 et 5 caractérisé en ce qu'il permet d'accroître leur souplesse d'utilisation, en remplaçant le noyau d'injection (8) de l'injeçteur annulaire par un noyau d'injection profilé (15) de section variable croissante dans le sens de l'écoulement et pouvant coulisser dans l'axe de la cavité (4), la section de sortie de l'injeçteur pouvant alors être réglée en ajustant la position du noyau d'injection profilé (15) par rapport à la cavité (4) .
25
30
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