BRULEUR POUR CHAUDIERE A COMBUSTIBLE LIQUIDE AVEC CIRCUIT DE RECYCLAGE DES GAZ DE COMBUSTION
La présente invention concerne un brûleur pour -chaudière à combustible liquide pourvu de moyens de recyclage des gaz de combustion, ce brû¬ leur comportant un gicleur d'aliTβaratation en combustible liquide et un manchon de guidage des gaz combustibles provenant de la vaporisation de ce combustible liquide, mélangés à des gaz de combustion recyclés, ce manchon étant disposé coaxialement par rapport à ce gicleur qui est monté à l'intérieur d'une douille support équipée d'organes d'amenée d'air disposés concentriquement autour dudit gicleur.
La demande de brevet allemand No 2810 193, publiée avant examen et le certificat d'utilité français No 80 16736 décrivent des brûleurs conçus pour assurer une recirculation des gaz de combustion partielle à l'intérieur même des têtes des brûleurs. La conséquence en est une combustion a relativemnt haute température d'où un taux résiduel relativement élevé d'oxydes d'azote. Dans les deux cas l'air de combustion est dirigé vers le centre du manchon de guidage et les gaz recyclés plutôt vers la périphérie du manchon, ce qui favorise cette combustion à température élevée.
La présente invention se propose de pallier cet inconvénient en réalisant un brûleur tel que mentionné ci-dessus permettant d'obtenir une combustion aussi complète que possible avec une température de la flamme relativement basse, ce qui garantit un taux extrêmement réduit d'oxydes d'azote dans les gaz résiduels de combustion et une combustion très complète du combustible liquide.
Ce but, ainsi que d'autres qui apparaîtront de manière évidente à la lecture de la description ci-dessous, est atteint par le brûleur selon l'invention qui assure un recyclage dynamique des gaz de combustion partiellement refroidis. En outre, ce brûleur est conçu de manière très simple et économique, de sorte que les parties connues pour être délicates dans les brûleurs classiques sont efficacement protégées contre les hautes températures et les dépôts -as résidus imbrûlés.
Grâce à cette conception, on obtient une répartition thermique telle que les huiles lourdes ou moyennes puissent être brûlées aussi complè¬ tement que les combustibles légers. La construction simple de ce brûleur permet une adaptation quasi immédiate en vue d'une utilisation de gaz combustible à la place du combustible liquide.
Le but recherché est atteint par un brûleur selon l'invention, carac¬ térisé en ce que le manchon des gaz combustibles et de combustion est ouvert à ses deux extrémités et est monté sensiblement dans le prolon¬ gement de la douille support, décalé axialement par rapport à cette dernière, de manière à ménager un espace annulaire agencé pour permet¬ tre une pénétration des gaz de combustion dans ledit manchon, à son extrémité amont ouverte, disposée en regard de la douille support.
Selon une forme de réalisation avantageuse, la douille support est obturée, à son extrémité disposée à proximité du manchon de guidage des gaz combustibles et de combustion, par une plaque d'obturation pourvue d'une ouverture centrale ménagée dans le prolongement du gicleur et d'une première série d'ouvertures disposées en couronne concentriquement autour de ladite ouverture centrale, constituant lesdits organes d'amenée d'air.
Cette plaque peut également comporter une seconde série d'ouvertures disposées en couronne, concentriquement entre ladite ouverture centrale et ladite première série d'ouvertures.
Les ouvertures de ladite seconde série d'ouvertures sont avantageusement constituées chacune par un trou ménagé dans la plaque d'obturation.
Selon un autre mode de réalisation, la plaque d'obturation comprend, dans sa partie centrale entourant l'ouverture centrale, une plaque déflectrice composée d'ailettes en forme de secteurs circulaires, décalées et partiellement superposées les unes par rapport aux autres de manière à ménager des fentes agencées pour engendre une turbulence dont l'axe de rotation correspond sensiblement à l'axe du gicleur, ces fentes constituant dans ce cas ladite seconde série d'ouvertures.
Le guidage des gaz se fait à l'aide d'une douille cylindrique orientée selon l'axe du gicleur et montée perpendiculairement sur ladite plaque d'obturation, de manière à séparer ladite première et ladite seconde série d'ouvertures.
Cette douille est de préférence ouverte à une de ses extrémités et partiellement obturée à son autre extrémité disposée à proximité du gicleur, par ladite plaque déflectrice. Elle est avantageusement montée sur ladite plaque d'obturation, la plaque déflectrice étant montée à l'intérieur de cette douille de telle manière que le plan de la plaque d'obturation soit parallèle au plan de la plaque déflectrice, ce dernier étant décalé par rapport au premier le long de l'axe du gicleur dans le sens d'un éloignement de l'extrémité libre de ce gicleur, cette extrémité étant disposée dans un plan parallèle intermédiaire entre le plan de la plaque déflectrice et le plan de la plaque d'obturation.
Selon une forme de réalisation préférée, le manchon de guidage des gaz combustibles mélangés à des gaz de combustion, est ouvert à ses deux extrémités et est monté sensiblement dans le prolongement de la douille support, décalé axialement par rapport à cette dernière de manière à ménager un espace annulaire agencé pour permettre une pénétration des gaz de combustion recyclés dans ledit manchon, à son extrémité amont disposée en regard de la douille support, cette douille support étant obturée à son extrémité disposée à proximité du manchon de guidage des gaz combustibles et de combustion par une plaque d'obturation pourvue d'une ouverture centrale et d'une couronne d'ouvertures constituant lesdits organes d'amenée d'air, ladite ouverture centrale étant limitée par une douille cylindrique de guidage des gaz combustibles, cette douille étant montée sur ladite plaque d'obturation coaxialement à la douille support et au manchon de guidage des gaz combustibles et de combustion et portant une plaque déflectrice montée parallèlement à la plaque d'obturation, cette plaque déflectrice étant constituée par des ailettes en forme de secteurs circulaires, décalées et partiellement superposées de manière à former des fentes propres à engendrer une turbulence dont l'axe de rotation correspond à l'axe du gicleur, ce dernier étant disposé en
regard d'une ouverture centrale ménagée dans ladite plaque déflectrice.
L'extrémité libre du gicleur est de préférence disposée dans un plan parallèle intermédiaire entre le plan de la plaque d'obturation de la douille support et le plan de la plaque déflectrice montée à l'intérieur de la douille de guidage des gaz combustibles.
La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé dans lequel :
La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une première forme de réalisation du brûleur selon l'invention,
La figure 2 représente une vue en coupe axiale d'une seconde forme de réalisation de ce brûleur,
La figure 3 représente une vue en perspective de la plaque déflectrice du brûleur de la fig. 2,
La figure représente une vue en coupe axiale d'une troisième forme de réalisation de ce brûleur, et
La figure 5 représente une vue en perspective de la plaque déflectrice du brûleur de la fig. H.
En référence à la fig. 1, le brûleur 10 tel que décrit comporte essentiellement une douille support 11, un manchon de guidage 12 des gaz combustibles provenant de la vaporisation d'un combustible li¬ quide, mélangés à des gaz de combustion recyclés, et un gicleur d'ali¬ mentation 13, monté d'une manière connue en soi à l'intérieur de la douille support 11 et associé à une électrode d'allumage 14. La*douil¬ le support 11 est avantageusement constituée par une pièce cylindrique montée- dans une ouverture appropriée d'une paroi 15 de la chambre de combustion d'une chaudière (non représentée) , équipée d'une plaque d'obturation 16 pourvue d'une ouverture centrale 17, d'une première
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série d'ouvertures d'amenée d'air 18 et d'une seconde série d'ouver¬ tures d'amenée d'air 19. Les deux séries d'ouvertures d'amenée d'air 18 et 19 sont localisées sur deux cercles concentriques à l'ouverture centrale 17, disposée en regard de l'orifice d'injection du gicleur d'alimentation 13.
Le manchon de guidage 12 des gaz combustibles est de préférence constitué par un cylindre métallique, dont le diamètre peut être inférieur, mais est de préférence égal ou supérieur à celui de la douille support 11. Ce manchon de guidage est ouvert à ses deux extré¬ mités amont 20 et aval 21. Il est monté sensiblement coaxialement et dans le prolongement de la douille support, décalé axialement par rapport à cette dernière, de manière à ménager un espace annulaire 22, propre à permettre une pénétration des gaz de combustion recyclés dans ledit manchon à son extrémité amont, disposée en regard de la douille support. Comme le montre la figure, les gaz combustibles provenant de la vaporisation du combustible liquide injecté par le gicleur 13 pénètrent dans le manchon de guidage 12 comme le montre les flèches A. Simultanément des jets d'air représentés par les flèches B sont injec¬ tés à travers les ouvertures 19 disposées en cercle autour de l'ou¬ verture centrale 17. Un rideau de Jets d'air, injectés à travers les ouvertures 18, et illustrés par les flèches C, se forme dans la zone périphérique du manchon de guidage 12. Ces jets d'air se mélangent aux gaz recyclés suivant une trajectoire illustrée par les flèches D et ont pour effet de refroidir ces derniers et de maintenir la zone de combustion à une température relativement basse.
Le manchon de guidage des gaz 12 est de préférence lié à la douille support 11 par des tiges de liaison 23 qui définissent la largeur réelle de l'espace annulaire séparant ces deux composants. On notera toutefois que ce mode de fixation pourrait être remplacé par un autre aboutissant à des résultats similaires. Pour faciliter le guidage des gaz recyclés selon les flèches D, l'extrémité amont 20 du manchon de guidage est de préférence évasée.
Le brûleur décrit en référence à la fig. 2 constitue une variante du brûleur exposé ci-dessus. Pour plus de clarté, les éléments identiques
seront désignés p.ar les mêmes références et des références différentes seront attribuées aux éléments nouveaux ou modifiés.
Comme précédemment, le brûleur 10 se compose essentiellement d'une douille support 11, d'un manchon 12 de guidage des gaz combustibles et des gaz de combustion recyclés, d'un gicleur d'alimentation 13 associé à une électrode d'allumage 11. La douille support est montée dans une ouverture appropriée d'une paroi 15 de la chambre de combustion d'une chaudière et est obturée à son extrémité disposée en regard du manchon de guidage 12 par une plaque d'obturation 16 pourvue d'une ouverture centrale 27 dont le diamètre est sensiblement plus large que celui de l'ouverture centrale 17 de la plaque d'obturation 16 correspondant au brûleur illustré par la fig. 1. Une série d'ouvertures d'amenée d'air 18 est ménagée dans la plaque d'obturation 16. Ces ouvertures sont disposées selon un cercle concentrique a l'ouverture centrale 27.
Cette ouverture centrale 27 est partiellement obturée par une plaque déflectrice 28, pourvue d'une ouverture centrale 29 et composée, comme le montre plus en détail la'fig. 3, d'une série d'ailettes, en forme de secteurs circulaires 30, décalées les unes par rapport aux autres et partiellement superposées de manière à ménager des fentes 31 desti¬ nées au passage de l'air et agencées pour provoquer une turbulence rotative autour d'un axe correspondant à l'axe du gicleur 13. La zone de formation de cette turbulence est délimitée à l'intérieur d'une douille de guidage 32 ayant une forme sensiblement cylindrique, montée sur la plaque d'obturation 16, sensiblement dans le prolongement de la douille support 11, coaxialement à cette douille et au manchon 12 de guidage des gaz.
Comme précédemment les gaz combustibles provenant de la vaporisation du combustible liquide sont injectés dans la zone délimitée par le manchon 12 dans le sens des flèches A. L'air ayant traversé les fentes 31 créent une turbulence rotative illustrée par les flèches B, et localisée autour des Jets de gaz combustibles représentés par les flèches A. L'air de refroidissement ayant traversé les ouvertures 18 suit une trajectoire laminaire longeant la paroi intérieure du manchon de guidage 12. Cet air a pour effet de refroidir les gaz de combustion
recyclés illustrés par les flèches D.
Les variantes illustrées par les figures et 5 sont relativement proches, au point de vue construction, de la réalisation illustrée par les figures 2 et 3. On retrouve sur ce brûleur 10 la douille support 11, le manchon de guidage 12, le gicleur 13 associé a son électrode d'allumage 11, disposé à l'intérieur de la douille support 11, elle- même engagée dans une ouverture appropriée d'une paroi 15 de la cham¬ bre de combustion d'une chaudière (non représentée). Comme précédem¬ ment la douille support 11 est obturée à son extrémité disposée en regard de l'extrémité amont du manchon de guidage par une plaque d'obturation 16 pourvue d'une ouverture centrale 27 et équipée d'ori¬ fices d'amenée d'air 18 disposés selon un cercle concentrique à l'ou¬ verture centrale 27. Une douille de guidage 12, dont la longueur est sensiblement plus grande que celle de la douille de guidage 32 illus¬ trée par la fig. 2, est montée sur la plaque d'obturation 16 de manière à s'engager exactement dans l'ouverture centrale 27 de cette dernière. Une plaque déflectrice 13, illustrée plus en détail par la figure 5 et comportant une ouverture centrale 29 et des ailettes 30 en forme de secteurs circulaires, décalées et partiellement superposées pour former des fentes 31. Qui dans ce cas sont radiales, est montée a l'intérieur de la douille de guidage 12 de forme sensiblement cylin¬ drique. On notera que dans l'exemple illustré par la fig. 2, la plaque déflectrice 28 est disposée sensiblement dans le même plan que la plaque d'obturation 16. Dans l'exemple illustré par la fig. 1, la plaque déflectrice 13 est disposée dans un plan parallèle à celui de la plaque d'obturation 16, le premier étant décalé axialeraent par rapport au second dans la direction de l'extrémité amont du manchon de guidage 12 des gaz combustibles et de combustion. On notera également que l'extrémité du gicleur 13 est disposée dans un plan parallèle intermédiaire entre les plans correspondant respectivement a la plaque déflectrice 13 et à la plaque d'obturation 16.
Comme dans l'exemple illustré par la fig. 1 le manchon de guidage 12 est lié à la douille support 11 ou à la plaque d'obturation 16 par des tiges de liaison 22 ménageant une ouverture suffisante entre les deux composants pour permettre une circulation aisée des gaz de recyclage.
Comme précédemment les gaz combustibles provenant de la vaporisation du combustible liquide sont injectés à travers l'ouverture centrale 29 de la plaque déflectrice 13 dans le sens des flèches A. L'air injecté à travers les fentes 31 de cette plaque déflectrice provoque une turbulence illustrée par les flèches B. Un rideau d'air de refroidis¬ sement injecté à travers les ouvertures 18 de la plaque d'obturation 16 est illustré par les flèches C et les gaz de combustion recyclés sont représentés par les flèches D.
L'avantage de cette variante, considérée comme forme de réalisation préférée du brûleur selon l'invention, est dû au fait que l'adjonction de la douille de guidage 12 relativement longue permet de prolonger le chemin suivi par le mélange air-gaz de combustion recyclés. Cet accroissement de la trajectoire du mélange permet d'en diminuer la température et permet d'augmenter la quantité de gaz recyclés. L'augmentation de la quantité de gaz recyclés permet d'assurer une meilleure combustion et l'abaissement de la température du mélange permet de réduire sensiblement le taux d'oxydes d'azote contenus dans les gaz résiduels de combustion.
Les brûleurs tels que décrits ci-dessus, essentiellement ceux des figures 2 et 1 , assurent une combustion en deux phases. Au cours de la première phase, le combustible liquide est vaporisé et les gaz qui se forment ainsi sont mélangés à l'air injecté a travers les fentes de la plaque déflectrice et brûlés dans une atmosphère pauvre en oxygène. La combustion qui en résulte produit de l'oxyde de carbone CO, de l'anhydride carbonique C02 et des hydrocarbures. L'énergie thermique dégagée par cette combustion correspond sensiblement au tiers de l'énergie thermique totale du combustible. La chaleur produite est faible au cours de cette première phase de sorte que la formation d'oxydes d'azote produits est également faible.
Simultanément l'air secondaire éjecté par les ouvertures 18 ménagées dans la plaque d'obturation 16 est préchauffé par mélange avec les gaz de combustion recyclés à l'intérieur de la douille de guidage des gaz. Ce préchauffage s'effectue immédiatement à l'apparition de la flamme dans le brûleur au moment de l'allumage et non après le chauffage
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préalable des parois ou autres composants du brûleur.
Lors du recyclage des gaz de combustion, une partie de l'énergie de ces derniers est cédée aux parois de la chambre de combustion de la chaudière avant qu'ils ne soient réaspirés par l'air secondaire issu des ouvertures 18. Selon le type de chaudière, leur température peut varier entre 600 et 1O00-C. Ils sont toutefois assez chauds pour assurer un excellent préchauffage de cet air. Par ailleurs, la masse de gaz à chauffer par la combustion est accrue du fait de l'existence de ce mélange air secondaire-gaz de combustion recyclés. En raison de cette augmentation de la masse de gaz, la température de la flamme est réduite proportionnellement.
Au cours de la seconde phase de la combustion, l'air préchauffé entre en contact avec les gaz recyclés formés au cours de la première phase et qui se composent d'un mélange de gaz de combustion et d'hydrocar¬ bures, et en assure la combustion complète. Etant donné que l'air est fortement préchauffé, surtout dans la variante illustrée par la fig. 1 où sa trajectoire commune avec les gaz recyclés est allongée, la combustion est optimale. Le mélange gazeux absorbe une partie de la chaleur de la flamme au moment où il pénètre dans la zone de combus¬ tion, ce qui permet de constater dans cette zone une température inférieure à la moyenne, ce qui a pour conséquence directe une réduc¬ tion du taux d'oxydes d'azote (NOx) dont la formation est favorisée, d'une manière connue en soi par les hautes températures.
A titre d'exemple, si l'air ambiant à une température de 20'C, les gaz recyclés une température de 800*C et la zone de combustion, c'est-à- dire la flamme, une température de l'800*C et si le mélange air-gaz recyclés s'effectue à proportions égales au cours de la première phase de combustion, la température de l'air préchauffé est approximative¬ ment égale à :
Ta = (20*C + 800*0/2 = 410'C
Si on mélange environ 651 d'air secondaire préchauffé aux gaz issus de la première phase de combustion, la température du mélange préchauffé
sera de :
Tra = ïa/0 ,65 = 630* C
La température de la flamme pour une combustion de mélange stoechiométrique est égale à :
Tfl= ( l '800-C + 800*0/2 = l ' 300-C
Etant donné que l'on injecte un excès d'air de l'ordre de 10%, la température réelle de la flamme peut être estimée à :
Tfl = T200-C
La conception du brûleur décrit permet d'obtenir une répartition de la température favorable au prolongement de la longévité des composants du brûleur et notamment du manchon de guidage. En effet, ce manchon est constamment balayé par l'air propulsé à travers les ouvertures d'amenée d'air, ce qui assure un refroidissement efficace de cette pièce. Toutefois, grâce au recyclage des gaz de combustion et au bon échange thermique qui s'effectue entre ces gaz de combustion et l'air frais injecté, du fait que la surface d'échange, constituée essentiel¬ lement par la paroi du manchon de guidage, est relativement grande, l'air injecté est préchauffé, ce qui permet de maintenir une tempéra¬ ture voisine de 800*C dans la zone du brûleur disposée en aval de l'ouverture centrale de la plaque d'obturation.. Cette température est suffisante pour assurer un craquage des molécules les plus lourdes et pour garantir une combustion complète du carburant injecté.
On a intérêt à augmenter la surface d'échange thermique entre les gaz de combustion et l'air injecté au travers des ouvertures d'amenée d'air pour augmenter la vitesse de craquage des molécules lourdes, ce qui permet de réduire la longueur du manchon de guidage et de diminuer proportionnellement les risques de dépôts de carbone ou de cendres sur la paroi intérieure de ce manchon. Pour diminuer ce risque, on peut également augmenter quelque peu le diamètre de ce manchon, ce qui favorise également le fonctionnement silencieux du brûleur.
La distance entre la plaque d'obturation portant les ouvertures d'-ame¬ née d'air et le manchon de guidage des gaz doit être assez grande pour permettre un bon recyclage des gaz de combustion. Le mélange obtenu de gaz combustible provenant de la vaporisation du combustible liquide, de gaz de combustion et d'air est proche du mélange stoechiométrique. Le recyclage des gaz de combustion provoque également un ralentisse¬ ment des gaz combustibles, ce qui favorise un fontionnement silencieux du brûleur.
Outre le fait que ce brûleur peut utiliser les huiles moyennes et lourdes, il présente l'avantage d'être de conception simple et de construction très économique.
Le brûleur tel que décrit peut présenter diverses variantes et subir différentes modifications évidentes pour l'homme de l'art, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.