FR2488815A1 - LIQUID SPRAYING DEVICE AND ITS APPLICATIONS - Google Patents

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Guy Glaus
Gerard Genetet
Bernard Lamure
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Elf Antar France
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Elf France SA
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/101Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
    • F23D11/102Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
    • F23D11/103Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber with means creating a swirl inside the mixing chamber

Abstract

DISPOSITIF DE PULVERISATION D'UN LIQUIDE COMBUSTIBLE OU NON AU MOYEN D'UN GAZ AUXILIAIRE SOUS PRESSION, CARACTERISE EN CE QUE LE LIQUIDE 11 ET LE GAZ 12 SONT MELANGES DANS UNE MEME ENCEINTE AXIALE 13, PAR DES MOUVEMENTS DE ROTATION OPPOSES, LE MELANGE GAZ LIQUIDE OBTENU ETANT ALORS DETENDU AU TRAVERS D'UN ORGANE APPROPRIE.DEVICE FOR SPRAYING A COMBUSTIBLE LIQUID OR NOT BY MEANS OF AN AUXILIARY GAS UNDER PRESSURE, CHARACTERIZED IN THAT LIQUID 11 AND GAS 12 ARE MIXED IN A SAME AXIAL ENCLOSURE 13, BY OPPOSITE ROTATIONAL MOVEMENTS, THE GAS MIXTURE LIQUID OBTAINED THEN DELIVERED THROUGH AN APPROPRIATE ORGAN.

Description

La présente invention a pour objet un dispositif de pulvérisation d'unThe subject of the present invention is a device for spraying a

liquide combustible ou non au moyen d'un  liquid combustible or not by means of a

gaz auxiliaire sous pression comportant des moyens pour effec-  pressurized auxiliary gas comprising means for effecting

tuer le mélange des deux fluides par des mouvements de rota-  kill the mixture of the two fluids by rotational movements

tion opposés suivis d'un système permettant la détente du  opposite oppositions followed by a system allowing the relaxation of the

mélange à travers au moins un organe approprié.  mixing through at least one suitable organ.

L'invention s'étend aux applications de ce dispo-  The invention extends to the applications of this provision.

sitif notamment à la pulvérisation du fuel lourd ou de toute huile combustible dans des brûleurs à faible perte de charge  particularly when spraying heavy fuel oil or any combustible oil in low pressure drop burners

et à la pulvérisation de tout liquide pour séchage.  and spraying any liquid for drying.

Dans les brûleurs de raffinerie, du type à "air induit", on utilise généralement, pour pulvériser le fuel, de la vapeur d'eau sous pression qui, dans une première étape, est mélangée au fuel dans une chambre de mélange, puis, dans  In refinery burners, of the "induced air" type, generally used for spraying fuel oil is pressurized steam which, in a first step, is mixed with fuel oil in a mixing chamber, then, in

une seconde étape, le mélange est détendu à travers une buse.  a second step, the mixture is expanded through a nozzle.

Les orifices de cette buse sont percés de manière appropriée au brûleur et la détente à travers ces orifices provoque la pulvérisation du fuel:  The orifices of this nozzle are appropriately drilled in the burner and the expansion through these orifices causes the fuel oil to be sprayed:

- le nombre des orifices varie généralement de 6 à 15.  - the number of orifices generally varies from 6 to 15.

- leur diamètre est choisi en fonction des débits de fuel désirés et de manière à obtenir la meilleure qualité de combustion. - généralement, ces orifices sont géométriquement disposés de manière que leurs axes soient répartis sur un cône dont l'angle d'ouverture est un paramètre important pour la forme  - Their diameter is chosen according to the desired fuel flow rates and so as to obtain the best quality of combustion. - generally, these orifices are geometrically arranged so that their axes are distributed over a cone whose opening angle is an important parameter for the shape

de la flamme.of flame.

Comme on peut le voir sur la figure 1 représentant en coupe un pulvérisateur classique,le système effectuant le  As can be seen in Figure 1 showing in section a conventional sprayer, the system performing the

mélange vapeur-fuel est sommaire. En effet, le fuel est intro-  steam-fuel mixture is sketchy. In fact, fuel is intro-

duit par la conduite axiale 1 et la vapeur par la conduite concentrique 2. Le mélange s'effectue dans la chambre 4 o le fuel entre par un orifice 5 de 2,5 cm de diamètre et la vapeur  supplied by the axial pipe 1 and the vapor by the concentric pipe 2. The mixing takes place in the chamber 4 where the fuel enters through an orifice 5 of 2.5 cm in diameter and the steam

par 3 trous, 3, de 2,3 cm de diamètre, la détente et la pulvé-  by 3 holes, 3, 2.3 cm in diameter, the trigger and the spray

risation s'effectuent à travers les 6 trous, 6, de 2,5 mm de  They are made through the 6 holes, 6, 2.5 mm in

diamètre de la buse 7.nozzle diameter 7.

Dans ces conditions, l'état de division des deux fluides l'un dans l'autre ne peut être fin, ce qui nuit à l'obtention d'une pulvérisation fine du fuel après détente  Under these conditions, the state of division of the two fluids into one another cannot be fine, which is detrimental to obtaining a fine spraying of the fuel after expansion.

dans la buse.in the nozzle.

En outre, ce type de pulvérisateur doit, pour aboutir à une pulvérisation satisfaisante pour la combustion fonctionner dans des conditions telles que le rapport débit de vapeur/débit de fuel soit compris entre 25 % et 60 %, selon le débit de fuel. La figure 2 montre une courbe donnant les rapports en % dua débit massique de vapeur à celui du fuel en fonction des débits de fuel en Kg/heure d'un pulvérisateur JOHN ZINK. Ce rapport est l'élément déterminant du coût d'exploitation d'un pulvérisateur et tous les efforts de perfectionnement tendent à le réduire, tout en améliorant  In addition, this type of sprayer must, in order to achieve a satisfactory spraying for combustion, operate under conditions such that the vapor flow rate / fuel flow rate is between 25% and 60%, depending on the fuel flow. FIG. 2 shows a curve giving the ratios in% of the mass flow rate of steam to that of fuel oil as a function of the fuel flow rates in kg / hour of a JOHN ZINK sprayer. This ratio is the determining factor in the operating cost of a sprayer and all development efforts tend to reduce it, while improving

l'efficacité du mélangeur vapeur-fuel.  the efficiency of the steam-fuel mixer.

Ainsi la compagnie ESSO dans son certificat  Thus the company ESSO in its certificate

d'addition 74 29594 au brevet 73 41639 du 22.11.73, a reven-  of addition 74 29594 to patent 73 41639 of 22.11.73, has

diqué un pulvérisateur dans lequel le mélange vapeur fuel est obtenu avec un mélangeur statique, comportant une suite  a sprayer in which the fuel oil vapor mixture is obtained with a static mixer, comprising a series

d'organes ayant pour fonction d'imposer aux fluides de mul-  of organs having the function of imposing on fluids

tiples changements de direction et des forces de cisaillement.  multiple changes of direction and shear forces.

De son côté, la Société JOHN ZINK a perfectionné le système de mélange en profilant la chambre de mélange et en introduisant la vapeur avec un mouvement de rotation, le  For its part, the JOHN ZINK Company perfected the mixing system by profiling the mixing chamber and introducing the steam with a rotational movement, the

fuel étant introduit axialement.fuel being introduced axially.

Conformément à l'invention, on améliore encore le mélange en introduisant les deux fluides dans une chambre de  According to the invention, the mixture is further improved by introducing the two fluids into a

mélange, les deux fluides étant animés de mouvements de rota-  mixing, the two fluids being driven by rotational movements

tion opposés créant une turbulence de l'écoulement, propice  opposing tion creating turbulent flow, conducive

au mélange.to the mixture.

Pratiquement, la figure 3 présente un mode de réalisation de l'invention: le fuel pénètre par un conduit  In practice, FIG. 3 shows an embodiment of the invention: the fuel enters through a conduit

cylindrique il et la vapeur par un conduit cylindrique co-  cylindrical it and steam through a cylindrical conduit co-

axial 12. Ces deux fluides pénètrent dans la chambre de mélange 13 par des orifices 14 et 15 percés dans la paroi de  axial 12. These two fluids enter the mixing chamber 13 through orifices 14 and 15 drilled in the wall of

la chambre de mélange.the mixing chamber.

La chambre de mélange 13 est vissée à l'extrémité du conduit de fuel 11, et lui est co-axiale. Son diamètre le plus large est égal au diamètre du conduit de vapeur, ce qui assure l'étanchéité du circuit vapeur. A l'intérieur, la chambre de mélange 13 est de forme cylindrique ou conique tronquée, de longueur comprise entre 5 et 100 mm, l'angle d'ouverture du cône étant inférieur à 40 degrés et de  The mixing chamber 13 is screwed to the end of the fuel pipe 11, and is co-axial with it. Its widest diameter is equal to the diameter of the steam pipe, which seals the steam circuit. Inside, the mixing chamber 13 is of cylindrical or truncated conical shape, of length between 5 and 100 mm, the opening angle of the cone being less than 40 degrees and of

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manière générale adapté au brûleur et à la forme de flamine désirée. Les orifices 14 de fuel sont disposés de manière que leur axe soit perpendiculaire à l'axe de la chambre de mélange, mais ne lui soit pas sécant, de manière à communiquer  generally suitable for the burner and the desired form of flamine. The fuel orifices 14 are arranged so that their axis is perpendicular to the axis of the mixing chamber, but is not intersecting with it, so as to communicate

au fuel un mouvement de rotation dans la chambre de mélange.  fuel oil rotational movement in the mixing chamber.

Les orifices 15 de vapeur sont disposes de manière analogue,  The steam orifices 15 are arranged in a similar manner,

mais de façon à communiquer à la vapeur un mouvement de rota-  but in order to impart a rotational movement to the steam

tion dans la chambre de mélange inverse au mouvement de rota-  tion in the mixing chamber opposite to the rotational movement

tion du fuel.tion of fuel.

A titre d'exemple non limitatif, les orifices 14 de fuel sont au nombre de deux, de diamètre 1,5 mm, afin de permettre un débit de fuel allant jusqu'à 150 kg/h avec des pressions de fuel n'excédant pas 8 bars, et les orifices 15  By way of nonlimiting example, the orifices 14 of fuel are two in number, with a diameter of 1.5 mm, in order to allow a fuel flow rate of up to 150 kg / h with fuel pressures not exceeding 8 bars, and ports 15

de vapeur sont au nombre de deux, de diamètre 2,0 mm.  are two in number, 2.0 mm in diameter.

La figure 4 représente la disposition des orifices 14 lorsqu'on regarde la chambre de mélange depuis un point A situé sur son axe, à l'extérieur du côté le plus étroit de la chambre; vu du point A, le sens de rotation du fuel est inverse à celui des aiguilles d'une montre. De même, la figure 5 représente la disposition des orifices 15 lorsqu'on regarde la chambre de mélange du point A défini ci-dessus. Vu de ce point, le sens de rotation de la vapeur dans la chambre  FIG. 4 represents the arrangement of the orifices 14 when looking at the mixing chamber from a point A situated on its axis, outside the narrowest side of the chamber; seen from point A, the direction of rotation of the fuel is opposite to that of the hands of a watch. Likewise, FIG. 5 shows the arrangement of the orifices 15 when looking at the mixing chamber of point A defined above. Seen from this point, the direction of rotation of the steam in the chamber

de mélange est celui des aiguilles d'une montre.  of mixing is that of clockwise.

Le dispositif pulvérisateur selon l'invention, réalisé selon les prototypes no 4 et 5, a été testé sur banc comparativement aux dispositifs classiques EA7 et LS de JOHN ZINK, comme on peut le voir sur la figure 6 dans laquelle sont représentés les rapports en % du débit massique de vapeur à celui du fuel en fonction des débits de fuel en Kg/heure. On constate que les pulvérisateurs conformes à l'invention permettent d'obtenir des consommations de vapeur  The spraying device according to the invention, produced according to prototypes 4 and 5, was tested on a bench compared to the conventional devices EA7 and LS by JOHN ZINK, as can be seen in FIG. 6 in which the ratios in% are represented. from the mass flow of steam to that of fuel as a function of fuel flows in kg / hour. It can be seen that the sprayers according to the invention make it possible to obtain consumption of steam.

- sensiblement inférieures et indépendantes du débit de fuel.  - significantly lower and independent of fuel flow.

En outre, l'observation de la flamme révèle que la qualité de la combustion est meilleure et le rapport débit de fuel maximum/débit de fuel minimum est de 4 à 5 alors qu'il est  In addition, observation of the flame reveals that the quality of combustion is better and the ratio of maximum fuel flow rate / minimum fuel flow rate is 4 to 5 while it is

de 3 pour le système LS de JOHN ZINK.  of 3 for the JOHN ZINK LS system.

Enfin, les pressions maximales de fuel nécessaires sont de l'ordre de 8,1 bars alors que le dispositif de ESSO  Finally, the maximum fuel oil pressures required are of the order of 8.1 bars while the ESSO device

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nécessite une pression de fuel de 14 à 16 bars, ce qui con-  requires a fuel pressure of 14 to 16 bars, which con-

traint d'équiper la raffinerie d'un surpresseur supplémen-  traitor to equip the refinery with an additional booster

taire. Le pulvérisateur conforme à l'invention présente, comme on l'a démontré, les avantages d'être d'une conception technologique simple, de permettre une économie importante de vapeur, de présenter une plus grande souplesse, de donner une meilleure qualité de combustion et d'être utilisable à des pressions de fuel compatibles avec les disponibilités en  to hush up. The sprayer according to the invention has, as has been demonstrated, the advantages of being of a simple technological design, of allowing a significant saving of steam, of presenting a greater flexibility, of giving a better quality of combustion. and to be usable at fuel pressures compatible with the availability of

raffinerie.refinery.

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Claims (5)

REVENDICATIONS 1 - Dispositif de pulvérisation d'un liquide combustible ou non au moyen d'un gaz auxiliaire sous pression, caractérisé en ce que le liquide et le gaz sont mélangés dans une même enceinte axiale par des mouvements de rotation opposés, le mélange gaz-liquide obtenu étant alors détendu  1 - Device for spraying a combustible liquid or not using an auxiliary gas under pressure, characterized in that the liquid and the gas are mixed in the same axial enclosure by opposite rotational movements, the gas-liquid mixture got then being relaxed au travers d'un organe approprié.through an appropriate organ. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que  2 - Device according to claim 1 characterized in that le liquide est un fuel et le gaz de la vapeur d'eau sur-  the liquid is a fuel and the gas water vapor chauffée ou non.heated or not. 3 - Dispositif selonles revendications 1 et 2, caractérisé en  3 - Device according to claims 1 and 2, characterized in ce que le mouvement de rotation des fluides dans l'enceinte axiale est obtenu en amenant lesdits fluides dans l'enceinte au moyen de canaux cylindriques dans la paroi de l'enceinte, l'axe de ces canaux et celui de l'enceinte n'étant pas sécants.  that the rotational movement of the fluids in the axial enclosure is obtained by bringing said fluids into the enclosure by means of cylindrical channels in the wall of the enclosure, the axis of these channels and that of the enclosure n ' not being intersecting. 4 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en  4 - Device according to claims 1 and 2 characterized in ce que l'enceinte de mélange est de forme cylindrique ou conique tronquée, de longueur et d'angle d'ouverture appropriés.  that the mixing enclosure is of cylindrical or truncated conical shape, of appropriate length and opening angle. - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en  - Device according to claims 1 and 2 characterized in ce que les canaux introduisant le fuel dans l'enceinte de mélange sont cylindriques, de diamètre et de nombre appropriés, et les canaux introduisant la vapeur sont  that the channels introducing the fuel into the mixing enclosure are cylindrical, of appropriate diameter and number, and the channels introducing the vapor are également cylindriques, de diamètre et de nombre appropriés.  also cylindrical, of appropriate diameter and number. 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en  6 - Device according to claims 1 and 2 characterized in ce que l'organe qui réalise la détente du mélange vapeur fuel est une buse munie d'orifices cylindriques de nombre et de diamètre appropriés, les axes de ces orifices étant régulièrement répartis sur cône co-axial à la chambre de mélange et dont l'angle d'ouverture est adapté au brûleur  that the member which produces the expansion of the fuel oil mixture is a nozzle provided with cylindrical orifices of appropriate number and diameter, the axes of these orifices being regularly distributed on a cone co-axial to the mixing chamber and the opening angle is suitable for the burner et à la forme de flamme désirée.and the desired flame shape.
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