WO2008003907A2 - Appareil d' injection d' un jet de fluide de direction et/ou ouverture variable - Google Patents

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WO2008003907A2
WO2008003907A2 PCT/FR2007/051597 FR2007051597W WO2008003907A2 WO 2008003907 A2 WO2008003907 A2 WO 2008003907A2 FR 2007051597 W FR2007051597 W FR 2007051597W WO 2008003907 A2 WO2008003907 A2 WO 2008003907A2
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jet
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primary
axis
passage
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PCT/FR2007/051597
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Bernard Labegorre
Nicolas Docquier
Bernard Zamuner
Thomas Lederlin
Thierry Poinsot
Vincent Faivre
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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/84—Flame spreading or otherwise shaping
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/0318—Processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87571—Multiple inlet with single outlet

Definitions

  • the present invention relates to an injection apparatus for varying the direction and / or the opening of a jet of fluid, for example a jet of air or oxygen, nitrogen, gaseous fuel or liquid or solid fuel with a gas, said jet of fluid resulting from an interaction between a primary fluid jet and at least one secondary fluid jet.
  • a jet of fluid for example a jet of air or oxygen, nitrogen, gaseous fuel or liquid or solid fuel with a gas
  • the invention relates in particular to such an injection lance.
  • the invention also relates to the use of said injection apparatus for varying the direction and / or the opening of a jet of fluid, for example in contact with a surface and in particular above a load. It also relates to an injection method in which the direction and / or the opening of at least one fluid jet is varied.
  • the object of the invention is to allow a large variation in the direction and / or the opening of a jet of fluid without having to interrupt the operation of the injector.
  • the invention also aims to allow such variation with an optimized robust device.
  • the invention proposes to control a primary fluid jet (also called main jet) by interaction with at least one other jet of fluid (called secondary jet or actuator), the interaction between the jets occurring inside the passage delivering the primary jet (constant or variable section pipe, etc.) before said primary jet opens out of said passage, possibly close to the place where the primary jet opens out of said passage (hereinafter called 'main exit opening').
  • the invention thus relates to an apparatus for injecting a jet of fluid resulting from an interaction between a primary jet and at least one secondary jet, said apparatus making it possible to vary the direction and / or the opening of said resulting jet. .
  • the injection apparatus has a passage for bringing the primary jet to the main outlet opening. It also comprises at least one secondary pipe for injecting a secondary jet, this secondary pipe leading to the passage of the primary jet through a secondary opening located upstream of the main opening.
  • the arrangement between the passage bringing the primary jet and the secondary line defines the point of interaction between the primary jet and the secondary jet leaving this secondary line (hereinafter referred to as the corresponding secondary jet).
  • the apparatus comprises at least one secondary pipe positioned with respect to the passage so that at the point of interaction between the corresponding secondary jet and the primary jet, the angle ⁇ between the axis of the corresponding secondary jet and the plane perpendicular to the axis of the primary jet is greater than or equal to 0 ° and less than 90 °, preferably 0 ° to 80 ° and more preferably 0 ° to 45 °.
  • the secondary opening or openings which are located upstream of the main outlet opening, are spaced from said main opening by a distance L less than or equal to ten times the square root of the section s of the main opening.
  • the distance L is preferably less than or equal to 5 times this square root and more preferably still less than or equal to 3 times this square root.
  • the at least one secondary jet interacts with the primary jet to generate a resultant jet.
  • the apparatus is provided with means for controlling the pulse of the at least one secondary jet.
  • the invention thus makes it possible to vary the direction and / or the opening of the resulting jet by modifying the pulse of at least one secondary jet with said means.
  • the means for controlling the pulse of the at least one secondary jet are means for controlling the ratio between the pulse of the secondary jet and the pulse of the primary jet.
  • the invention thus makes it possible to achieve a large variation in direction and / or opening of a jet without resorting to mechanical means, potential sources of malfunction, particularly in hostile environments, such as high temperature fireplaces.
  • the control means allow in particular an active or dynamic control of the pulse of the at least one secondary jet, that is to say, they make it possible to vary the pulse or pulses without interrupting the injection of the main jet.
  • the apparatus according to the invention thus allows an equally dynamic variation of the direction and / or the opening of the resulting jet.
  • the number of secondary jets interacting with the primary jet to achieve the desired effect on the resulting jet will be minimized so as to limit the complexity and cost of manufacturing the apparatus but also the complexity and cost of the system. supply and regulation of fluid flow rates when piloting secondary jets independently. For example, a mono-directional effect can be achieved with a single secondary jet.
  • the direction of a jet is defined as a unit vector normal to the fluid passage section and oriented in the direction of flow, that is, from upstream to downstream).
  • the "thickness e" means the dimension of the secondary pipe in the direction of flow of the primary jet (according to the arrow in figure 1). In the particular case of this FIG. 1, e therefore represents the diameter of the secondary pipe 21 at the level of the secondary opening 31 since this secondary pipe 21 is cylindrical in this example.
  • the "opening" of a jet designates, for a jet emerging from a cylindrical passage such as 10 in FIG. 1, the angle between the longitudinal axis of the passage and the generatrix on the surface of the jet leaving the passage. .
  • the generator In the absence of interaction with a secondary jet the generator is inclined by about 15 ° with respect to this axis, this inclination being able to reach 70 ° and more according to the invention (see FIG. 6A).
  • the term “opening” will refer to the angle between the direction of flow in the passage, when it has no circular section, and the generator.
  • Figure 1 block diagram of an apparatus according to the invention for the control of a flow by interaction of jets.
  • Figure 2 Control of an apparatus according to the invention mounted on a fireplace.
  • Figures 3A and B apparatus for controlling the direction of the resulting jet
  • Figure 3A being a cross section
  • Figure 3B a longitudinal section of an apparatus having four secondary jets disposed respectively at 90 ° from each other and from in incidence perpendicular to the direction of the primary jet.
  • FIGS. 3C, D and E use of a pellet to transform a jet nozzle with primary and secondary jets parallel to a device according to the invention.
  • Figure 4A and B longitudinal and transverse section of an apparatus allowing the control of the opening of a resulting jet.
  • Figure 7 Graph illustrating the effect of primary and secondary flows on the resulting jet deflection.
  • Figure 8 Graph illustrating the effect of jet pulse ratio on the resulting jet opening.
  • Figure 1 is shown a block diagram of the method of controlling a jet according to the invention.
  • the primary jet to be controlled is fed through the passage 10 and comes to interact with the secondary jet coming from the secondary pipe 21 so as to create a jet resulting in 1 different direction and / or opening of the jet emerging from the main opening of the exit 11 in the absence of secondary jet.
  • the apparatus comprises a passage 10 which makes it possible to bring the primary jet towards a main outlet opening 11.
  • At least one secondary pipe 21 for injecting a secondary jet opens onto the passage 10 through a secondary opening 31.
  • the distance L makes it possible to influence the impact of the secondary jets on the primary jet with identical respective pulses. For example, to maximize the directional effect, we will try to minimize this distance.
  • L is less than or equal to 20 cm, more preferably less than or equal to 10 cm.
  • the apparatus comprises means for controlling the pulse of the secondary jets.
  • These means can advantageously be chosen from mass flow control devices, pressure drop control, passage section control, but also temperature control devices, control of the chemical composition of the fluid or pressure control.
  • control means are preferably means for controlling the ratio between the pulse of the secondary jet and the pulse of the primary jet.
  • the control means enable to activate and deactivate one or more secondary jets (flow or no flow of the secondary jet concerned) so as to dynamically vary the direction and / or the opening of the resulting jet.
  • the control means preferably also dynamically increase and decrease the (non-zero) pulse of one or more secondary jets or increase and decrease the ratio between the pulse of a secondary jet and the impulse of the primary jet.
  • the apparatus may comprise a block of material 5, such as a block of refractory material, in which at least a portion of the passage 10 is located, the main outlet opening 11 being located on one of the faces or surfaces of the block: front face 6.
  • a block of material 5 such as a block of refractory material
  • the secondary jet is conveyed by a secondary pipe 21 which passes through the block 5, the secondary jet preferably opening substantially perpendicular to the primary jet.
  • the interaction between the primary jet and the secondary jet takes place at a distance L from the front face 6 of the block from which the passage 10 of the primary jet opens, this distance L being able to vary as indicated above.
  • the apparatus comprises at least one secondary line 321, 322, 323 and 324 which is positioned by relative to the passage 310 of the primary jet such that at the corresponding secondary opening 331, 332, 333 and 334 (that is to say the secondary opening by which the secondary pipe in question leads to the passage ), the axis of the primary jet and the axis of the corresponding secondary jet are secant or quasi-secant.
  • Such an arrangement between the passage and the secondary pipe makes it possible to vary the angle between the axis of the resulting fluid jet (downstream of the corresponding secondary opening) and the axis of the primary jet upstream of this secondary opening. changing the pulse of at least one corresponding secondary jet.
  • the apparatus preferably comprises at least two secondary lines which are positioned with respect to the passage 310 so that, on the one hand, the two corresponding secondary openings are located on the same cross section of the passage 310 and that, on the other hand, at these two secondary openings, the axes of the corresponding secondary jets are intersecting or quasi-intersecting with the axis of the primary jet.
  • the two corresponding secondary openings may, in a useful manner, be located on either side of the axis of the primary jet (right and left for the openings 331 and 333, at the bottom and at the top for the openings 332 and 334), the two secondary openings and the axis of the primary jet being preferably located in a single plane (horizontal for the openings 331 and 333, vertical for the openings 332 and 334).
  • the plane defined by the axis of the primary jet and one of the two corresponding secondary openings is perpendicular to the plane defined by the axis of the primary jet and the other of the two corresponding openings.
  • the horizontal plane defined by the axis of the passage 310 and the secondary opening 331 is perpendicular to the vertical plane defined by this axis and the secondary opening 332.
  • the apparatus comprises at least four secondary lines 321, 322, 323 and 324 which are positioned relative to the passage 310 in such a way that: (1) the four corresponding secondary openings 331, 332, 333, 334 are located on the same cross section of the passage 310, and
  • two of these corresponding secondary openings 331 and 333 define a first plane with the axis of the primary jet and are located on either side of this axis, the two other secondary openings 332 and 334 defining a second plane with the axis of the primary jet, the first plane preferably being perpendicular to the second plane.
  • This arrangement makes it possible to vary the angle between the axis of the resulting fluid jet and the axis of the primary jet according to the first and second plane (for example in the horizontal plane and in the vertical plane) and to the choice towards one or the other of the two secondary openings in each plane (for example, to the left and to the right along the horizontal plane, and upwards and downwards in the vertical plane) and, as explained below, above, towards any intermediate direction.
  • the axes of the four corresponding secondary jets are preferably located in the same plane perpendicular to the axis of the primary jet 310.
  • the invention also allows interaction between the primary jet and one or more secondary jets so as to generate, maintain or enhance a rotation of the resulting fluid jet about its axis. Such an interaction makes it possible to vary the opening of the resulting jet.
  • the apparatus may be provided with at least one secondary pipe 421 to 424 which is positioned with respect to the passage 410 of the primary jet in such a way that at the level of the opening corresponding secondary jet 431 to 434, the axis of the corresponding secondary jet 421 to 424 is not coplanar or substantially coplanar with the axis of the primary jet 410, this at least one secondary line 421 to 424 opening preferably tangentially on the passage 410 of the primary jet. In this way, the interaction between the primary jet and the secondary jet gives the primary jet a rotational pulse.
  • the apparatus may advantageously comprise two secondary lines 421 and 422 positioned with respect to the passage 410 of the primary jet such that at the two corresponding secondary openings 431, 432, the axes of the two corresponding secondary jets 421 and 422 are not coplanar with the axis of the primary jet 410, the two secondary jets being oriented in the same direction of rotation about the axis of the primary jet.
  • the two secondary jets thus contribute to the rotational pulse imparted to the primary jet.
  • the two secondary openings are advantageously located on the same cross section of the passage 410 - in the same plane perpendicular to the axis of the primary jet. They may be located on either side of the axis of the primary jet (openings 421 and 423 or 422 and 424).
  • the apparatus comprises at least four secondary lines 421 to 424 which are positioned relative to the passage 410 of the primary jet so that at the corresponding secondary openings 431 to 434, the axes of the Corresponding secondary jets are not substantially coplanar with the axis of the primary jet.
  • Two of the corresponding secondary openings 431 and 433 are substantially coplanar with the axis of the primary jet 410 in a first plane and located on either side of the axis of the primary jet.
  • the two other corresponding secondary openings 432 and 434 are substantially coplanar with the axis of the primary jet 410 in a second plane and also located on either side of the primary axis, the four corresponding secondary jets being oriented in the same direction of rotation around the axis of the primary jet.
  • the first and the second plane can in particular be perpendicular one by report to the other. It is also preferable that the four corresponding secondary openings are on the same cross section of the passage 410.
  • the axis of the secondary jet belongs to the plane perpendicular at this location to the axis of the primary jet, and secondly, the angle between the axis of the secondary jet and the tangent to the secondary opening (or more exactly at the imaginary surface of the passage of the primary jet at the level of the secondary opening) in this plane is between 0 and 90 °, preferably between 0 and 45 °.
  • Figures 4a and b show an embodiment with secondary jets for controlling the opening of a resulting jet.
  • the primary jet (which flows from the left to the right in the passage 410 in Figure 4a) meets the secondary jets from the secondary lines 421, 422, 423 and 424 (shown in Figure 4b which is a cross section on plan AA of figure 4a).
  • These secondary jets impact the primary jet tangentially to the passage 410, thus allowing, according to the pulses of these different jets, "to open” more or less the resulting jet.
  • This opening effect is essentially due to the fact that the secondary jets and the primary jet have axes that do not intersect, although the jets have physical interaction with each other. This causes a rotation of the resulting jet on its axis. It is also possible to combine in a single apparatus the embodiment for varying the direction of the resultant jet according to any of the embodiments described above with any of the embodiments described above. above to generate, maintain or enhance a rotation of the resulting jet and thus to vary its
  • the apparatus according to the invention may comprise at least one secondary pipe 21 positioned relative to the passage 10 of the primary jet so that at the corresponding secondary opening 31, this pipe has a thickness e and a height I, such that I> 0.5xe and preferably: 0.5xe ⁇ I ⁇ 5.0xe (see Figure 1).
  • a minimum height greater than or equal to 0.5xe makes it possible to achieve an optimized interaction between the corresponding secondary jet and the primary jet.
  • the secondary pipe has a direction substantially perpendicular to the axis of the primary jet over a length I which will preferably be between 0.5 and 5 times the thickness e (dimension in the direction of the flow of the main fluid) e of said pipe (e is the diameter of the pipe when it is cylindrical).
  • this length I is greater than 5e, but this does not bring any additional effect of significant impact of the secondary jet on the primary jet.
  • the passage of the primary jet may consist, in whole or for at least part of it, in a primary pipe for the injection of the primary jet.
  • This primary pipe opens on a primary opening 309 (see Figure 3c). This primary opening may coincide with the main outlet opening of the passage.
  • FIG. 3c represents an alternative embodiment similar to FIG. 3B, with however an embodiment in which two parallel channels (primary duct 308 and secondary duct 324) are arranged in a nozzle 345, the two ducts 308 and 324 opening on the front face of the nozzle.
  • pellet 342 which directs the secondary jet of the secondary pipe 324 to the primary jet leaving the primary pipe 308, and more particularly perpendicular or substantially perpendicular to the primary jet, so as to obtain a resulting jet, for example in the direction indicated by the arrow 344 in Figure 3c.
  • the direction 344 of the resulting jet will depend on the ratio of the pulses of the primary and secondary jets.
  • 3d is an exploded view of the nozzle 345 on which the pellet 342 is fixed (by means not shown in this figure), in the form here of a hollow lateral cylindrical portion 350 which will come to rest on the end of the nozzle 345, while the opening 346 in the pellet is positioned where opens the primary pipe 308.
  • FIG. 3e represents the bottom (inside) of this pellet 342 whose inner face 349 comprises a cavity 347 in which the secondary jet coming from the secondary pipe 324 will be distributed and then come to meet substantially perpendicularly the primary jet coming from the primary pipe 308 through the slot 348 above the main outlet opening 346.
  • the resulting jet 344 ( Figure 3c) out of this opening 346 will thus be deflected downwards (with respect to Figures 3c, d and e ).
  • the passage of the primary jet will have at the level of the at least one secondary opening a fluid passage unobstructed or at least substantially unobstructed in the extension of the at least one corresponding secondary channel, in order to allow effective interaction between the at least one corresponding secondary jet and the primary jet.
  • the cross section of the passage of the primary jet will define an unobstructed or at least substantially unobstructed fluid passage at the at least one secondary opening.
  • the invention also relates to the use of the apparatus for varying the direction and / or the opening of a jet of fluid, for example a jet of fluid comprising oxygen and / or argon and / or carbon dioxide and / or hydrogen.
  • a jet of fluid comprising oxygen and / or argon and / or carbon dioxide and / or hydrogen.
  • Another possibility is the use of the apparatus to vary the direction and / or the opening of a jet of fluid comprising a fuel and / or an oxidant injected into a combustion zone.
  • the resulting jet whose direction and / or opening is thus varied can be a supercritical fluid jet.
  • the jet is typically a gaseous jet, however the gaseous jet may comprise atomized liquid and / or solid particles, such as sprayed solids.
  • the invention also relates to an injection method in which the apparatus according to the invention is used for injecting a jet of fluid resulting from an interaction between a primary jet and at least one secondary jet and in which the dynamic direction and / or opening of the resulting jet by varying the pulse of at least one secondary jet or by varying the ratio between the pulse of at least one secondary jet and the pulse of the primary jet .
  • the invention thus relates to a method for dynamically or actively controlling the performance of a fluid injection system using one or more secondary jets (also called actuator jets), which impact the primary jet in order to modify the flow of the primary jet and produce a resulting jet whose direction and / or opening can be modified according to the characteristics (including direction and momentum) of the primary and / or secondary jets.
  • This method can be used to regulate in a loop Closed or open loop performance of a combustion system or more generally of industrial processes implementing injections of fluid jets (liquid, gaseous or solid dispersion).
  • FIG. 2 represents a method of regulating the performance of an apparatus according to the invention 210, such as an injection lance, mounted on a hearth 212.
  • the sensors 214, 216 and 217 respectively measure quantities characterizing the products of combustion, the operating conditions of the combustion or combustion chamber and the operation of the apparatus or the lance. These measurements are transmitted using lines 218, 219 and 220 to the controller 215. The latter as a function of instructions given for these characteristic quantities determines the operating parameters of the secondary jets so as to maintain the characteristic quantities at their nominal values. and transmits with the aid of the line 221 these parameters to the control organs of the apparatus / lance.
  • the apparatus advantageously comprises means for controlling the pulses of the secondary jet or jets, preferably means for controlling the ratio of the pulses of the primary jet and the secondary jet (s).
  • This ratio is a function of the ratio of the primary jet passage section and the secondary pipe sections, the ratio of the flows in the secondary pipes to the resulting jet flow and the ratio of the fluid densities of the primary jet and the one or more secondary jets. (In the following paragraphs, when considering the variation of one of these ratios, the other two are considered constant.)
  • a ratio of sections of between 5 and 50, more preferably between 15 and 30, will preferably be chosen.
  • the ratio of the flow rate of the set of secondary jets to the total flow rate of the resulting jet will typically vary between 0 (no secondary jets) and 0.5 and preferably between 0 and 0.3; more preferably between 0 and 0.15; knowing that the higher the flow ratio, the greater the deviation and / or the opening of the resulting jet.
  • the ratio of the density of each fluid constituting the secondary jets to the density of the fluid of the primary jet makes it possible to control the impact of the secondary jets.
  • the lower the value of this ratio the greater the effect of the secondary jet on the primary jet, at constant flow.
  • the same fluid will often be used in the secondary jets and in the primary jet (ratio equal to unity).
  • a fluid of lower density will be used than that of the fluid in the primary jet.
  • the nature of the fluid in the secondary jets will be chosen according to the intended application.
  • the ratio of densities (or densities) of the densest fluid to the least dense fluid can vary between 1 and 20, preferably between 1 and 10, more preferably between 1 and 5.
  • Geometry the section of the passage of the primary jet and / or secondary pipes may be of various shapes and in particular circular, square, rectangular, triangular, oblong, multi-lobes, etc.
  • a jet output of a triangular shaped injector will be more unstable than that from a circular injector, this instability promoting the mixing of the resulting jet with the surrounding medium.
  • an oblong injector will favor in a field near the injector the non-symmetrical development of the jet unlike a circular or square injector.
  • the physicochemical properties of the fluid used to make the secondary streams they may be chosen to control certain properties of the resulting flow. For example, the reactivity of a mixture of main jet fuel (eg natural gas), oxidant (eg air) by use of oxygen (or other oxidant), and / or hydrogen ( or other fuel).
  • the apparatus is a lance (for example, for injecting an oxidant such as oxygen into a combustion zone) whose jet has a direction and / or a variable opening.
  • a lance may also be used to inject fuel, liquid and / or gaseous and / or solid in a combustion zone, for example a pulverized coal lance (gas such as air that propels solid powder such as coal).
  • the present invention thus also relates to a method for heating in which such a lance is used to inject a jet of fuel and / or oxidant opening and / or variable direction in a combustion zone.
  • a nozzle comprising a convergent / divergent (also called a Laval nozzle in the literature)
  • a jet of primary fluid and a resulting jet for example an oxygen jet, supersonic which may then be of variable direction (possibly of variable opening but generally losing its supersonic velocity, which makes it possible to alternate the subsonic and supersonic speeds in certain processes).
  • the Laval nozzle can also be disposed on the resulting jet before the main exit opening.
  • At least two secondary jets are used, so as to obtain a variation of the direction of the jet resulting in at least two secant planes in order to scan at least a part of a surface, such as the surface of a charge.
  • a secondary jet whose axis is not secant or quasi-secant with the axis of the primary jet, the opening of the resulting jet above the load can be varied, alone or in combination with a scan.
  • Means for controlling the momentum of the primary jet and / or the at least one secondary jet are preferably provided.
  • FIG. 5 illustrates how the invention makes it possible to vary two resulting principal jets and their interaction.
  • One possible application is to vary a fuel jet and an oxidizer jet in a fireplace to modify the characteristics of the flame.
  • FIG. 5a shows a main jet of fuel 61 surmounted by a main jet of oxidant 62, in the situation where none of these jets is controlled by an interaction with one or more secondary jets.
  • FIG. 5b shows these same jets but in a situation where they are controlled or deflected in opposition (jets convergent).
  • the jet 60 is deflected downwards by the secondary jet 62 while the jet 61 is deflected upwards by the secondary jet 63, directed from below upwards (unlike 61).
  • FIG. 5c shows these same main jets in a situation where the jets are controlled or deflected in the same direction (upwards in the figure): the secondary jets 63 and 65 act from bottom to top respectively on the main jets 61 and 60 resulting in resultant jets both directed upwards.
  • the flame 64 will be very wide in the median horizontal plane of the injectors, while the flame 67 will be sharply deflected upwards.
  • the axis of the secondary jet makes with the plane perpendicular to the axis of the primary jet an angle which is less than 90 °, and preferably equal to at 0 °.
  • the channels feeding these jets are most often substantially parallel.
  • injection pad an end piece hereinafter called injection pad whose function is to transform the direction of the secondary jet initially parallel to the primary jet, a secondary jet impinging the primary jet, the axis of said secondary jet being preferably located in a plane perpendicular to the axis of the primary jet.
  • the first solution (FIG. 9) consists in placing the device 500 in a refractory part 501 whose geometry and the relative position of the apparatus / quarlet will protect the first one. too much radiation.
  • the position or removal of the device in the quarl must be sufficient to protect it from radiation but must not limit the directional amplitude of the injected jet. For this, we can change the geometry of the quarl eliminating a portion thereof along the line 160 dashed in Figure 9 according to the angle ⁇ .
  • the ratio ⁇ A will be in the range 0.3 to 3, while
  • the angle ⁇ will belong to the interval [0 °, 60 °].
  • the second solution is to bring a refractory sleeve-type directly on the nose of the device (where is the main outlet opening) as shown in Figure 10.
  • This solution eliminates the presence of a quarryman with complex geometry.
  • the dimensions of the sleeve are such that it does not limit the directional amplitude of the injector. This means in particular that the thickness f of the sleeve is small (less than the diameter of the main jet) or that the material used to make this sleeve with a very low thermal conductivity. For example, alumina will be chosen.
  • FIGS. 6A and B represent the opening angle of the resulting jet as a function of the ratio of the flow rate of the secondary jets (actuators) to the flow rate of the primary jet (main jet).
  • the curves C1 and C2 respectively represent the opening angle of the resulting jet as a function of the ratio of the actuator / main jet flows.
  • C & concerns a configuration CONF1 in which the actuators are perpendicular to the main jet and open at a distance h from the main outlet opening and C2 corresponds to a configuration identical to CONF1, but with a distance of 2xh instead of h between the secondary openings and the main outlet opening.
  • FIG. 6b also illustrates the variations in the opening angle of the resulting jet as a function of the ratio of the flow rates of the actuators and the main jet: the curve C3 corresponds to the configuration CONF3 with actuators impacting the main jet at 90 ° (FIG.
  • Figure 7 shows the angle of deflection (in degrees) as a function of the ratio of the flow of the actuator jets and the flow rate of the main jet, expressed as a percentage.
  • the flow rate of the main jet is respectively 200 ⁇ m, 150 ⁇ m, 100 ⁇ m and 50 ⁇ m. Note that these four curves are almost identical, which shows that the deviation of the main jet is not a function of flow.
  • Figure 8 shows a curve of the opening angle of the resulting jet as a function of the jets pulse ratio. This curve reports all the experimental data obtained for controlling the opening of a jet.
  • the measured aperture angle is plotted against the physical parameter J which is the ratio of the specific pulses of the actuator jets and the main jet. This ratio is written as the product of the ratio of the densities (fluid actuator on main fluid) and the ratio of the square of the speed of the actuator jets and the square of the speed of the main jet).
  • the main fluid is the same for all the experiments, while different fluids have been used for the actuators. These fluids differ mainly in their density (from the density of the largest to the lowest: CO2, Air, Air Helium mixture).
  • the invention also relates to the use of a device / lance according to the invention for injecting a resulting fluid jet whose opening and / or direction are variable, said resulting jet may for example comprise oxygen and / or nitrogen and / or argon and / or carbon dioxide and / or hydrogen.
  • the resulting jet may in particular be a gaseous jet, or a gaseous jet comprising an atomized liquid and / or solid particles entrained by gas.
  • the apparatus may in particular be used for injecting a jet of fluid comprising a fuel and / or an oxidant, for example to supply combustion in an oven.
  • the invention is particularly useful for injecting a supercritical or supersonic fluid jet.
  • the invention can also be applied to food or industrial cryogenic appliances in which jets of cryogenic liquid (for example liquid nitrogen) are injected, each jet being able, by virtue of the invention and the use of one or more several actuator jets, sweep a surface (for example "water” an entire surface of products to be frozen by means of a single variable jet nozzle (direction - shape)) etc.)
  • cryogenic liquid for example liquid nitrogen
  • the method and technology of the present invention can be used for injection of, for example, nitrogen to inert certain reactors or processes.
  • a combination of injectors with variable direction or rotation (jet opening) makes it possible to homogenize the atmosphere of a reactor more rapidly, for example by increasing its entrainment in the jets of inert gas, favoring Nitrogen supply to sensitive areas through directional effects.
  • the invention can also be applied to the filling of gas cylinders under pressure: the use of composite materials for storage under pressure, for example hydrogen, in tanks of low weight, limits the filling rate due to risk of hot spots.
  • the flow inside the bottle is organized in a jet along the axis of the bottle with a relaxation at the inlet of the bottle, then a downstream zone (Bottle Bottom) where the gases slow down and are compressed ( therefore heat up) and two recirculation zones on each side where the hot gases are drawn along the walls before being driven into the central jet.
  • the use of a variable opening injection during the filling of the bottle to reverse the latter situation.
  • the injection of a jet with a very large rotational effect makes it possible to generate a flow inside the bottle where the cold gases cooled by the expansion at the bottle inlet will run along the walls of the bottle before being tablets when they arrive at the bottom of the bottle and return to the center of the latter along the axis of the latter.
  • the alternation of these two situations during filling makes it possible to limit the temperature of the bottle and to remain in a temperature range without risk, including for high filling speeds.
  • Another application of the invention is gaseous quenching: the directional capacity of the injectors according to the invention makes it possible to homogenise the temperature in parts of complex shape and of high thermal resistance.

Abstract

L'invention concerne un appareil d'injection d'au moins un jet de fluide dont la direction et/ou l'ouverture de l'un des jets au moins peut être variable, comportant des moyens d'injection d'au moins un jet de fluide principal, des moyens d'injection d'au moins un jet de fluide secondaire, et des moyens pour faire interagir au moins un jet de fluide principal et au moins un jet de fluide secondaire et engendrer un jet de fluide résultant de cette interaction dont la direction et/ou l'ouverture sont variables, ainsi que le procédé associé et leurs utilisations.

Description

Procédé et appareil d'injection d'un jet de fluide de direction et/ou ouverture variable
La présente invention concerne un appareil d'injection permettant de faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide, par exemple un jet d'air ou d'oxygène, d'azote, de combustible gazeux ou encore de combustible liquide ou solide avec un gaz, ledit jet de fluide résultant d'une interaction entre un jet de fluide primaire et au moins un jet de fluide secondaire. L'invention concerne notamment une telle lance d'injection.
L'invention concerne également l'utilisation dudit appareil d'injection pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide, par exemple au contact d'une surface et notamment au dessus d'une charge. Elle concerne également un procédé d'injection dans lequel on fait varier la direction et/ou l'ouverture d'au moins un jet de fluide.
Contexte de l'invention
II est connu de EP-A-0545357 de modifier la direction d'un jet atomisé au moyen d'un flux de gaz de contrôle : (1 ) en amenant la matière à atomiser à travers un passage d'atomisation ayant une partie de section transversale constante et une partie en aval évasée, (2) en atomisant la matière au moyen d'un jet annulaire de gaz d'atomisation, (3) en mettant en contact le jet de gaz d'atomisation et un flux de gaz de contrôle de manière à créer un différentiel de pression à travers le jet de gaz d'atomisation et (4) en utilisant ce différentiel de pression pour faire varier la direction du jet atomisé.
Cependant, cette méthode, qui est limité aux jets atomisés, ne permet qu'un changement assez faible de la direction du jet.
Objet de l'invention L'invention a pour objet de permettre une grande variation de la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide sans avoir à interrompre le fonctionnement de l'injecteur. L'invention a également pour but de permettre une telle variation avec un appareil robuste optimisé. Brève description de l'invention
L'invention se propose de contrôler un jet de fluide primaire (appelé également jet principal) par interaction avec au moins un autre jet de fluide (appelé jet secondaire ou actionneur), l'interaction entre les jets se produisant à l'intérieur du passage délivrant le jet primaire (canalisation à section constante ou variable, etc.) avant que ledit jet primaire ne débouche dudit passage, éventuellement à proximité du lieu où le jet primaire débouche dudit passage (appelé ci-après 'ouverture principale de sortie'). L'invention concerne ainsi un appareil pour l'injection d'un jet de fluide résultant d'une interaction entre un jet primaire et au moins un jet secondaire, ledit appareil permettant de faire varier la direction et/ou l'ouverture dudit jet résultant.
L'appareil d'injection comporte un passage pour amener le jet primaire vers l'ouverture principale de sortie. Il comporte également au moins une canalisation secondaire pour l'injection d'un jet secondaire, cette canalisation secondaire débouchant sur le passage du jet primaire par une ouverture secondaire située en amont de l'ouverture principale. La disposition entre le passage amenant le jet primaire et la canalisation secondaire définie le point d'interaction entre le jet primaire et le jet secondaire sortant de cette canalisation secondaire (appelé ci-après le jet secondaire correspondant).
L'appareil comprend au moins une canalisation secondaire positionnée par rapport au passage de manière à ce qu'au point d'interaction entre le jet secondaire correspondant et le jet primaire, l'angle θ entre l'axe du jet secondaire correspondant et le plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire est supérieur ou égal à 0° et inférieur à 90°, de préférence de 0° à 80° et encore de préférence de 0° à 45°.
Egalement selon l'invention, la ou les ouvertures secondaires, qui sont situées en amont de l'ouverture principale de sortie, sont espacées de ladite ouverture principale d'une distance L inférieure ou égale à dix fois la racine carrée de la section s de l'ouverture principale. La distance L est de préférence inférieure ou égale à 5 fois cette racine carrée et plus de préférence encore inférieure ou égale à 3 fois cette racine carrée.
Le au moins un jet secondaire interagit avec le jet primaire de manière à engendrer un jet résultant. II est connu des « Proceedings of FEDSM'02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of JuIy 14-18, 2002 » et de l'article « Expérimental and numerical investigations of jet active control for combustion applications » de V. Faivre et Th. Poinsot, Journal of Turbulence, Volume 5, N° 1 , mars 2004, p. 25, d'utiliser une configuration spécifique de quatre jets secondaires autours d'un jet principal pour stabiliser une flamme grâce à l'interaction entre les jets secondaires et le jet primaire. Un angle de dispersion plus large est constaté. Selon l'invention, l'appareil est muni de moyens pour contrôler l'impulsion du au moins un jet secondaire.
L'invention permet ainsi de faire varier la direction et/ou l'ouverture du jet résultant en modifiant l'impulsion d'au moins un jet secondaire avec lesdits moyens.
De préférence, les moyens pour contrôler l'impulsion du au moins un jet secondaire sont des moyens permettant de contrôler le rapport entre l'impulsion du jet secondaire et l'impulsion du jet primaire.
L'invention permet ainsi de réaliser une grande variation de direction et/ou ouverture d'un jet sans faire appel à des moyens mécaniques, sources potentielles de dysfonctionnement, en particulier dans des environnements hostiles, tels que les foyers à température élevée.
Les moyens de contrôle permettent notamment un contrôle actif ou dynamique de l'impulsion du au moins un jet secondaire, c'est-à-dire, ils permettent de faire varier la ou les impulsions sans interruption de l'injection du jet principal. L'appareil suivant l'invention permet ainsi une variation également dynamique de la direction et/ou l'ouverture du jet résultant.
De préférence, le nombre de jets secondaires interagissant avec le jet primaire pour obtenir l'effet désiré sur le jet résultant sera minimisé de manière à limiter la complexité et le coût de fabrication de l'appareil mais également la complexité et le coût du système d'alimentation et de régulation des débits des fluides si on pilote les jets secondaires de façon indépendante. Par exemple, un effet mono-directionnel peut être obtenu avec un seul jet secondaire. Parmi les termes utilisés dans la présente description, certains méritent d'être plus précisément définis dans le cadre de l'invention afin de mieux délimiter leur portée : • la direction d'un jet est définie comme étant un vecteur unitaire normal à la section de passage du fluide et orienté dans le sens de l'écoulement, c'est- à-dire de l'amont vers l'aval).
• L'« épaisseur e » signifie la dimension de la canalisation secondaire dans la direction d'écoulement du jet primaire (selon la flèche sur la figure 1 ). Dans le cas particulier de cette figure 1 , e représente donc le diamètre de la canalisation secondaire 21 au niveau de l'ouverture secondaire 31 puisque cette canalisation secondaire 21 est cylindrique dans cet exemple.
• L'« ouverture » d'un jet désigne, pour un jet débouchant d'un passage cylindrique tel que 10 sur la figure 1 , l'angle entre l'axe longitudinal du passage et la génératrice à la surface du jet quittant le passage. En l'absence d'interaction avec un jet secondaire la génératrice est inclinée de 15° environ par rapport à cet axe, cette inclinaison pouvant atteindre 70° et plus suivant l'invention (voir figure 6A). Par extension, le terme ouverture désignera l'angle entre la direction d'écoulement dans le passage, lorsque celui-ci n'a pas de section circulaire, et la génératrice.
Description détaillée de l'invention
Les diverses caractéristiques des modes de réalisation de l'appareil suivant l'invention et son utilisation apparaîtront plus clairement de la description détaillée suivante, référence étant faite aux figures qui représentent, de manière schématique, des exemples de réalisation, donnés à titre non limitatif, et plus particulièrement :
Figure 1 : schéma de principe d'un appareil selon l'invention pour le contrôle d'un écoulement par interaction de jets.
Figure 2 : régulation d'un appareil selon l'invention monté sur un foyer. - Figures 3A et B : appareil pour le contrôle de la direction du jet résultant, la figure 3A étant une coupe transversale et la figure 3B une coupe longitudinale d'un appareil comportant quatre jets secondaires disposés respectivement à 90° les uns des autres et venant en incidence perpendiculaire à la direction du jet primaire.
Figures 3C, D et E : utilisation d'une pastille pour transformer une buse à jets primaire et secondaire(s) parallèles en un appareil selon l'invention. Figure 4A et B : coupe longitudinale et transversale d'un appareil permettant le contrôle de l'ouverture d'un jet résultant.
- La figure 5 : utilisation d'appareils pour faire varier la direction de deux jets (résultants). - Figures 6A et B : variantes de réalisation du contrôle de l'ouverture d'un jet.
Figure 7 : graphique illustrant l'effet des débits primaire et secondaire(s) sur la déviation du jet résultant.
Figure 8 : graphique illustrant l'effet du rapport d'impulsions des jets sur l'ouverture du jet résultant.
- Figure 9 : protection de l'extrémité de l'appareil par un ouvreau.
- Figure 10 : protection de l'extrémité de l'appareil par un manchon. Dans ce qui suit, les mêmes chiffres de référence sont utilisés, d'une part, pour désigner le jet primaire et le passage dans lequel il s'écoule et, d'autre part, pour désigner le jet secondaire ou actionneur et la canalisation secondaire correspondante dans lequel ce jet secondaire s'écoule.
Sur la Figure 1 est représenté un schéma de principe du procédé de contrôle d'un jet selon l'invention. Le jet primaire à contrôler est amené par le passage 10 et vient interagir avec le jet secondaire issu de la canalisation secondaire 21 de manière à créer un jet résultant 1 de direction et/ou d'ouverture différentes du jet sortant de l'ouverture principale de sortie 11 en l'absence de jet secondaire. L'appareil comprend un passage 10 qui permet d'amener le jet primaire vers une ouverture principale de sortie 11.
Au moins une canalisation secondaire 21 pour l'injection d'un jet secondaire débouche sur le passage 10 par une ouverture secondaire 31. Cette canalisation secondaire 21 est positionnée par rapport au passage 10 de telle manière qu'au point d'interaction entre le jet secondaire correspondant et le jet primaire, l'angle θ entre l'axe du jet secondaire 21 et le plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire 10 est supérieure ou égale à 0° et inférieure à 90°. (θ = 0° sur la figure 1 ). L'ouverture secondaire 31 est espacée de l'ouverture principale 11 d'une distance L, L étant inférieure ou égale à 10 x Vs (s = section de l'ouverture principale 11 ). La distance L permet d'influencer l'impact des jets secondaires sur le jet primaire à impulsions respectives identiques. Par exemple, pour maximiser l'effet directionnel, on cherchera à minimiser cette distance. En règle générale, L est inférieure ou égale à 20 cm, plus préférentiellement inférieure ou égale à 10 cm.
L'appareil comporte des moyens pour contrôler l'impulsion des jets secondaires. Ces moyens peuvent de manière utile être choisis parmi les dispositifs de contrôle de débit massique, de contrôle de perte de charge, de contrôle de section de passage, mais également les dispositifs de contrôle de température, de contrôle de la composition chimique du fluide ou de contrôle de pression.
Ces moyens sont de préférence des moyens permettant de contrôler le rapport entre l'impulsion du jet secondaire et l'impulsion du jet primaire. Les moyens de contrôle permettent d'activer et de désactiver un ou des jets secondaires (écoulement ou absence d'écoulement du jet secondaire concerné) de manière à faire varier de manière dynamique la direction et/ou l'ouverture du jet résultant.
Les moyens de contrôle permettent de préférence également de manière dynamique d'augmenter et de diminuer l'impulsion (non-nulle) d'un ou des jets secondaires ou d'augmenter et de diminuer le rapport entre l'impulsion d'un jet secondaire et l'impulsion du jet primaire.
L'appareil peut comporter un bloc de matériau 5, tel qu'un bloc de matériau réfractaire, dans lequel au moins une partie du passage 10 est située, l'ouverture principale de sortie 11 étant située sur l'une des faces ou surfaces du bloc : face avant 6.
Sur la Figure 1 , le jet secondaire est véhiculé par une canalisation secondaire 21 qui traverse le bloc 5, ce jet secondaire débouchant de préférence sensiblement perpendiculairement au jet primaire. L'interaction entre le jet primaire et le jet secondaire a lieu à une distance L de la face avant 6 du bloc de laquelle débouche le passage 10 du jet primaire, cette distance L pouvant varier comme indiqué précédemment. Suivant une forme de réalisation permettant de faire varier la direction du jet de fluide résultant illustrée dans les figures 3A et 3B, l'appareil comprend au moins une canalisation secondaire 321 , 322, 323 et 324 qui est positionnée par rapport au passage 310 du jet primaire de telle manière qu'au niveau de l'ouverture secondaire correspondante 331 , 332, 333 et 334 (c'est-à-dire l'ouverture secondaire par laquelle la canalisation secondaire en question débouche sur le passage), l'axe du jet primaire et l'axe du jet secondaire correspondant sont sécants ou quasi-sécants.
Une telle disposition entre le passage et la canalisation secondaire permet de faire varier l'angle entre l'axe du jet de fluide résultant (en aval de l'ouverture secondaire correspondante) et l'axe du jet primaire en amont de cette ouverture secondaire en changeant l'impulsion d'au moins un jet secondaire correspondant.
Si en l'absence de jet actionneur, le jet issu de l'ouverture principale de sortie 311 s'écoule perpendiculairement au plan de la figure 3A, l'injection d'un jet par la canalisation secondaire 323, permet une déviation du jet résultant vers la droite sur la figure 3A, c'est à dire dans le même sens que le sens d'écoulement du jet issu de 323. Si simultanément, il y a injection d'un jet secondaire par la canalisation secondaire 324, selon les quantités de mouvement relatives des jets issus de 323 et 324, on pourra obtenir un jet résultant dévié dans une direction (projetée dans le plan de la figure 3A) qui peut varier continûment entre les directions des jets issus de 323 et 324 (vers la droite et vers le bas sur la figure 3A).
L'appareil comprend de préférence au moins deux canalisations secondaires qui sont positionnées par rapport au passage 310 de manière à ce que, d'une part, les deux ouvertures secondaires correspondantes sont situées sur une même section transversale du passage 310 et que, d'autre part, au niveau de ces deux ouvertures secondaires, les axes des jets secondaires correspondants sont sécants ou quasi-sécants avec l'axe du jet primaire. Dans ce cas, les deux ouvertures secondaires correspondantes peuvent, de manière utile, être situées de part et d'autre de l'axe du jet primaire (à droit et à gauche pour les ouvertures 331 et 333; en bas et en haut pour les ouvertures 332 et 334), les deux ouvertures secondaires et l'axe du jet primaire étant de préférence situés dans un seul plan (horizontal pour les ouvertures 331 et 333; vertical pour les ouvertures 332 et 334).
Suivant une autre configuration utile, au niveau des deux ouvertures secondaires correspondantes, le plan défini par l'axe du jet primaire et l'une des deux ouvertures secondaires correspondantes est perpendiculaire au plan défini par l'axe du jet primaire et l'autre des deux ouvertures correspondantes. Par exemple, le plan horizontal défini par l'axe du passage 310 et l'ouverture secondaire 331 est perpendiculaire au plan vertical défini par cet axe et l'ouverture secondaire 332.
Il est également possible de combiner ces deux formes d'exécution. Dans ce cas, comme illustré dans les figures 3A et 3B, l'appareil comprend au moins quatre canalisations secondaires 321 , 322, 323 et 324 qui sont positionnées par rapport au passage 310 de telle manière que : (1 ) les quatre ouvertures secondaires correspondantes 331 , 332, 333, 334 se situent sur une même section transversale du passage 310, et
(2) deux de ces ouvertures secondaires correspondantes 331 et 333 définissent un premier plan avec l'axe du jet primaire et sont situées de part et d'autre de cet axe, les deux autres ouvertures secondaires 332 et 334 définissant un deuxième plan avec l'axe du jet primaire, le premier plan étant de préférence perpendiculaire au deuxième plan. Cette disposition permet de faire varier l'angle entre l'axe du jet de fluide résultant et l'axe du jet primaire selon le premier et selon le deuxième plan (par exemple selon le plan horizontal et selon le plan vertical) et au choix vers l'une ou l'autre des deux ouvertures secondaires situées dans chaque plan (par exemple, vers la gauche et vers la droite selon le plan horizontal, et vers le haut et vers le bas selon le plan vertical) et, comme expliqué ci-dessus, vers toute direction intermédiaire.
Au niveau des quatre ouvertures secondaires correspondantes 331 à 334, les axes des quatre jets secondaires correspondants se trouvent de préférence, dans un même plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire 310.
L'invention permet également de réaliser une interaction entre le jet primaire et un ou plusieurs jets secondaires de manière à engendrer, à maintenir ou à renforcer une rotation du jet de fluide résultant autour de son axe. Une telle interaction permet de faire varier l'ouverture du jet résultant. Comme illustré dans les figures 4A et 4B, l'appareil peut être muni d'au moins une canalisation secondaire 421 à 424 qui est positionnée par rapport au passage 410 du jet primaire de telle manière qu'au niveau de l'ouverture secondaire correspondante 431 à 434, l'axe du jet secondaire correspondant 421 à 424 n'est pas coplanaire ou en substance coplanaire avec l'axe du jet primaire 410, cette au moins une canalisation secondaire 421 à 424 débouchant de préférence de manière tangentielle sur le passage 410 du jet primaire. De cette manière, l'interaction entre le jet primaire et le jet secondaire confère au jet primaire une impulsion de rotation.
L'appareil peut, de manière utile, comprendre deux canalisations secondaires 421 et 422 positionnées par rapport au passage 410 du jet primaire de telle manière qu'au niveau des deux ouvertures secondaires correspondantes 431 , 432, les axes des deux jets secondaires correspondants 421 et 422 ne sont pas coplanaires avec l'axe du jet primaire 410, les deux jets secondaires étant orientés selon un même sens de rotation autour de l'axe du jet primaire. Les deux jets secondaires contribuent ainsi à l'impulsion de rotation conférée au jet primaire. Les deux ouvertures secondaires sont avantageusement situées sur une même section transversale du passage 410 - dans un même plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire. Elles peuvent être situées de part et autre de l'axe du jet primaire (ouvertures 421 et 423 ou 422 et 424). Elles peuvent également être situées de manière à ce que le plan défini par l'axe du jet primaire et l'une des deux ouvertures secondaires 421 est perpendiculaire au plan défini par l'axe du jet primaire et l'autre des deux ouvertures secondaires 422. Suivant une forme d'exécution, l'appareil comprend au moins quatre canalisations secondaires 421 à 424 qui sont positionnées par rapport au passage 410 du jet primaire de manière à ce qu'au niveau des ouvertures secondaires correspondantes 431 à 434, les axes des jets secondaires correspondants ne sont pas en substance coplanaires avec l'axe du jet primaire. Deux des ouvertures secondaires correspondantes 431 et 433 sont en substance coplanaires avec l'axe du jet primaire 410 selon un premier plan et situées de par et d'autre de l'axe du jet primaire. Les deux autres ouvertures secondaires correspondantes 432 et 434 sont en substance coplanaires avec l'axe du jet primaire 410 selon un deuxième plan et également situées de part et autre de l'axe primaire, les quatre jets secondaires correspondants étant orientés selon un même sens de rotation autour de l'axe du jet primaire. Le premier et le deuxième plan peuvent notamment être perpendiculaire l'un par rapport à l'autre. Il est aussi préférable que les quatre ouvertures secondaires correspondantes se trouvent sur une même section transversale du passage 410.
Pour conférer au jet primaire une impulsion de rotation, et ainsi changer l'ouverture du jet résultant, on s'assurera de préférence qu'au niveau de l'ouverture secondaire où interagissent le jet primaire et le jet secondaire correspondant, d'une part, l'axe du jet secondaire appartient au plan perpendiculaire en cet endroit à l'axe du jet primaire, et d'autre part, l'angle entre l'axe du jet secondaire et la tangente à l'ouverture secondaire (ou plus exactement à la surface imaginaire du passage du jet primaire au niveau de l'ouverture secondaire) dans ce plan est compris entre 0 et 90°, de préférence entre 0 et 45°.
Les figures 4a et b montrent un exemple de réalisation avec des jets secondaires pour le contrôle de l'ouverture d'un jet résultant. Le jet primaire (qui s'écoule de la gauche vers la droite dans le passage 410 sur la figure 4a) rencontre les jets secondaires issus des canalisations secondaires 421 , 422, 423 et 424 (représentées sur la figure 4b qui est une coupe transversale selon le plan AA de la figure 4a). Ces jets secondaires viennent impacter le jet primaire de manière tangentielle au passage 410, permettant ainsi, selon les impulsions de ces différents jets, « d'ouvrir » plus ou moins le jet résultant. Cet effet d'ouverture est essentiellement dû au fait que les jets secondaires et le jet primaire ont des axes qui ne se coupent pas, bien que les jets aient une interaction physique entre eux. Ceci entraîne une rotation du jet résultant sur son axe. II est également possible de combiner dans un seul appareil la forme de réalisation permettant de faire varier la direction du jet résultant suivant l'un quelconque des modes de mise en œuvre décrits ci-dessus avec l'une quelconques des formes de réalisation décrites ci-dessus permettant d'engendrer, maintenir ou renforcer une rotation du jet résultant et ainsi de faire varier son ouverture.
Pour obtenir à la fois un effet directionnel et rotationnel, on combinera donc l'enseignement des paragraphes précédents. Pour obtenir une variation dynamique des effets directionnel et rotationnel, on pourra par exemple prévoir plusieurs systèmes d'injection de jets secondaires. En prévoyant des canalisations secondaires séparées avec des moyens de régulation de l'impulsion du jet secondaires, tels que des vannes d'alimentation, on peut ainsi changer, de manière continue ou discontinue, la forme et la direction du jet résultant par simple actionnement desdits moyens de régulation (vannes). Pour permettre au jet secondaire d'agir le plus efficacement possible sur le jet primaire, il convient d'injecter le jet actionneur sensiblement perpendiculairement à la direction du jet principal.
Pour un fonctionnement optimisé, l'appareil suivant l'invention peut comprendre au moins une canalisation secondaire 21 positionnée par rapport au passage 10 du jet primaire de manière à ce qu'au niveau de l'ouverture secondaire correspondante 31 , cette canalisation présente une épaisseur e et une hauteur I, tel que I > 0,5xe et de préférence : 0,5xe < I < 5,0xe (voir figure 1 ). Une hauteur minimale supérieure ou égale à 0,5xe, permet de réaliser une interaction optimisée entre le jet secondaire correspondant et le jet primaire. Par exemple, afin de réaliser en pratique un jet secondaire tel qu'au point d'interaction entre ce jet secondaire et le jet primaire, l'angle θ entre l'axe du jet secondaire et le plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire soit 0°, on préférera qu'avant l'ouverture secondaire correspondante, la canalisation secondaire ait une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du jet primaire sur une longueur I qui sera de préférence comprise entre 0,5 et 5 fois l'épaisseur e (dimension dans la direction de l'écoulement du fluide principal) e de ladite conduite (e est le diamètre de la conduite lorsque celle-ci est cylindrique). Bien sûr, il est également possible que cette longueur I soit supérieure à 5e, mais cela n'apporte pas alors d'effet supplémentaire d'impact significatif du jet secondaire sur le jet primaire.
Le passage du jet primaire peut consister, en totalité ou pour au moins une partie, en une canalisation primaire pour l'injection du jet primaire. Cette canalisation primaire débouche sur une ouverture primaire 309 (voir figure 3c). Cette ouverture primaire peut coïncider avec l'ouverture principale de sortie du passage.
Quand, comme illustré dans les figures 3c, d et e, la canalisation primaire 308 se termine avant l'ouverture principale de sortie 311 , l'ouverture primaire 309 est positionnée en amont de l'ouverture principale 311. Dans ce cas, au moins une ouverture secondaire 334 peut être située entre l'ouverture primaire 309 de la canalisation primaire 308 et l'ouverture principale 311 du passage. La Figure 3c représente une variante de réalisation similaire à la figure 3B avec cependant une réalisation dans laquelle on dispose deux canaux parallèles (canalisation primaire 308 et canalisation secondaire 324) dans une buse 345, les deux canaux 308 et 324 débouchant sur la face avant de la buse. Sur cette face avant, on vient rapporter une pastille 342 qui permet d'orienter le jet secondaire de la canalisation secondaire 324 vers le jet primaire sortant de la canalisation primaire 308, et plus particulièrement perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement au jet primaire, de manière à obtenir un jet résultant, par exemple dans la direction indiquée par la flèche 344 sur la figure 3c. (La direction 344 du jet résultant va dépendre du rapport des impulsions des jets primaire et secondaire.) On peut ainsi en faisant varier l'impulsion du jet secondaire à l'aide des moyens de contrôle, obtenir une direction de jet résultant variable permettant de balayer toute une surface avec le jet résultant. La figure 3d est une vue éclatée de la buse 345 sur laquelle vient se fixer la pastille 342 (par des moyens non représentés sur cette figure), sous forme ici d'une partie cylindrique latérale creuse 350 qui va venir s'appuyer sur l'extrémité de la buse 345, tandis que l'ouverture 346 dans la pastille vient se positionner là où débouche la canalisation primaire 308.
La figure 3e représente le fond (intérieur) de cette pastille 342 dont la face intérieure 349 comporte une cavité 347 dans lequel le jet secondaire issu de la canalisation secondaire 324 va se répartir puis venir rencontrer sensiblement perpendiculairement le jet primaire issu de la canalisation primaire 308 par l'intermédiaire de la fente 348 au dessus de l'ouverture principale de sortie 346. Le jet résultant 344 (figure 3c) sortant de cette ouverture 346 va ainsi se trouver dévié vers le bas (par rapport aux figures 3c, d et e).
Il est à noter que la possibilité d'utiliser une pastille pour conférer l'orientation souhaitée à un ou plusieurs jets secondaires avant leur points d'interaction respectifs avec le jet primaire, n'est pas limitée au jets secondaires orientés de manière à faire varier la direction du jet résultant, mais s'applique également au jets secondaires décrits ci-dessus permettant de faire varier l'ouverture du jet résultant. Pour le fonctionnement optimal de l'appareil suivant l'invention, le passage du jet primaire présentera au niveau de la au moins une ouverture secondaire un passage fluidique non-obstrué ou au moins en substance non-obstrué dans le prolongement de la au moins une canalisation secondaire correspondante, afin de permettre une interaction efficace entre le au moins un jet secondaire correspondant et le jet primaire. Typiquement, la section transversale du passage du jet primaire définira un passage fluidique non-obstrué ou au moins en substance non-obstrué au niveau de la au moins une ouverture secondaire.
L'invention concerne également l'utilisation de l'appareil pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide, par exemple d'un jet de fluide comprenant de l'oxygène et/ou de l'argon et/ou du dioxyde de carbone et/ou de l'hydrogène. Une autre possibilité est l'utilisation de l'appareil pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide comprenant un combustible et/ou un comburant injecté dans une zone de combustion.
Le jet résultant dont on fait ainsi varier la direction et/ou l'ouverture peut être un jet de fluide supercritique.
Le jet est typiquement un jet gazeux, toutefois le jet gazeux peut comprendre un liquide atomisé et/ou des particules solides, telles que des solides pulvérisés.
L'invention concerne aussi un procédé d'injection dans lequel on utilise l'appareil suivant l'invention pour injecter un jet de fluide résultant d'une interaction entre un jet primaire et au moins un jet secondaire et dans lequel on fait varier de manière dynamique la direction et/ou l'ouverture du jet résultant en faisant varier l'impulsion d'au moins un jet secondaire ou encore en faisant varier le rapport entre l'impulsion d'au moins un jet secondaire et l'impulsion du jet primaire.
L'invention concerne ainsi un procédé pour contrôler de façon dynamique ou active les performances d'un système d'injection de fluides à l'aide d'un ou plusieurs jets secondaires (encore appelés jets actionneurs), venant impacter le jet primaire afin de modifier l'écoulement du jet primaire et de produire un jet résultant dont la direction et/où l'ouverture peuvent être modifiées en fonction des caractéristiques (notamment direction et quantité de mouvement) des jets primaires et/ou secondaires. Ce procédé peut être utilisé pour réguler en boucle fermée ou en boucle ouverte les performances d'un système de combustion ou plus généralement de procédés industriels mettant en œuvre des injections de jets fluides (liquide, gazeux ou dispersion solide).
La Figure 2 représente un procédé de régulation des performances d'un appareil selon l'invention 210, tel qu'une lance d'injection, monté sur un foyer 212.
Les capteurs 214, 216 et 217 mesurent respectivement des grandeurs caractérisant les produits de combustion, les conditions du fonctionnement de la combustion ou du foyer et le fonctionnement de l'appareil ou de la lance. Ces mesures sont transmises à l'aide des lignes 218, 219 et 220 au contrôleur 215. Ce dernier en fonction de consignes données pour ces grandeurs caractéristiques détermine les paramètres de fonctionnement des jets secondaires de manière à maintenir les grandeurs caractéristiques à leurs valeurs de consigne et transmet à l'aide de la ligne 221 ces paramètres aux organes de commande de l'appareil/de la lance.
L'appareil suivant l'invention comprend avantageusement des moyens pour contrôler les impulsions du ou des jets secondaires, de préférence des moyens pour contrôler le rapport des impulsions du jet primaire et du ou des jet(s) secondaire(s). Ce rapport est une fonction du rapport de la section du passage du jet primaire et des sections des canalisations secondaires, du rapport des débits dans les canalisations secondaires sur le débit du jet résultant et du rapport des densités des fluides du jet primaire et du ou des jets secondaires. (Dans les paragraphes suivants, lorsqu'on considère la variation d'un de ces rapports, les deux autres sont considérés comme constants.)
Plus la valeur du rapport de la section du jet primaire et de la section d'une canalisation secondaire au niveau de l'ouverture secondaire correspondante augmente, plus (à débits respectifs constants) le jet secondaire correspondant a un impact important sur le jet primaire. On choisira de préférence un rapport de sections compris entre 5 et 50 plus préférentiellement entre 15 et 30.
Le rapport du débit de l'ensemble des jets secondaires sur le débit total du jet résultant variera typiquement entre 0 (absence de jets secondaires) et 0.5 et de préférence entre 0 et 0,3 ; plus préférentiellement entre 0 et 0,15 ; sachant que plus ce rapport de débits est important, plus la déviation et/ou l'ouverture du jet résultant sera importante.
Le rapport de la densité de chaque fluide constituant les jets secondaires sur la densité du fluide du jet primaire permet de contrôler l'impact des jets secondaires. Plus la valeur de ce rapport est faible, plus l'effet du jet secondaire sur le jet primaire, à débit constant, sera important. Pour des raisons pratiques, on utilisera souvent le même fluide dans les jets secondaires et dans le jet primaire (rapport égal à l'unité). Pour augmenter (à débit massique constant) les effets des jets secondaires on utilisera un fluide de masse volumique plus faible que celle du fluide dans le jet primaire. La nature du fluide dans les jets secondaires sera choisie en fonction de l'application visée. On peut utiliser par exemple, pour contrôler la déviation d'un jet d'air, un mélange d'air et d'hélium (de densité inférieure) ou pour augmenter l'entraînement des produits de combustion dans une flamme dont le combustible est du propane, contrôler le jet principal de combustible et/ou de comburant avec un jet secondaire de vapeur d'eau. D'une manière générale, le rapport des densités (ou des masses volumiques) du fluide le plus dense sur le fluide le moins dense peut varier entre 1 et 20, de préférence entre 1 et 10, plus préférentiellement entre 1 et 5. La géométrie de la section du passage du jet primaire et/ou des canalisations secondaires, pourra être de formes diverses et notamment circulaire, carrée, rectangulaire, triangulaire, oblongue, multi-lobes, etc.
La géométrie de ces sections d'injection influence le développement des instabilités du jet résultant. Par exemple, un jet en sortie d'un injecteur de forme triangulaire sera plus instable que celui issu d'un injecteur de forme circulaire, cette instabilité favorisant le mélange du jet résultant avec le milieu environnant. De même un injecteur de forme oblongue favorisera dans un champ proche de l'injecteur le développement non symétrique du jet à la différence d'un injecteur de forme circulaire ou carrée. En ce qui concerne les propriétés physicochimiques du fluide utilisé pour réaliser les jets secondaires, elles peuvent être choisies pour contrôler certaines propriétés de l'écoulement résultant. Par exemple, on pourra modifier la réactivité d'un mélange de jets principaux combustible (par exemple, gaz naturel), comburant (par exemple l'air) par utilisation d'oxygène (ou autre comburant), et/ou d'hydrogène (ou autre combustible). Selon une variante de réalisation, l'appareil est une lance (par exemple, pour injecter un comburant tel que l'oxygène dans une zone de combustion) dont le jet a une direction et/ou une ouverture variable. Bien entendu, une telle lance peut également être utilisée pour injecter du combustible, liquide et/ou gazeux et/ou solide dans une zone de combustion, par exemple une lance à charbon pulvérisé (gaz tel que l'air qui propulse de la poudre solide tel que du charbon). La présente invention concerne ainsi également un procédé pour chauffer dans lequel une telle lance est utilisée pour injecter un jet de combustible et/ou de comburant d'ouverture et/ou de direction variable dans une zone de combustion.
Si l'on munit l'extrémité du passage du jet primaire, juste avant le point d'interaction des jets primaire et secondaire(s), d'une buse comportant un convergent/divergent (encore appelée tuyère de Laval dans la littérature), on pourra à la sortie du divergent obtenir (de manière connue en soi dans la littérature) un jet de fluide primaire et un jet résultant, par exemple un jet d'oxygène, supersonique qui pourra alors être de direction variable (éventuellement d'ouverture variable mais en perdant généralement sa vitesse supersonique, ce qui permet d'alterner les vitesses subsoniques et supersoniques dans certains procédés). La tuyère de Laval peut également être disposée sur le jet résultant avant l'ouverture principale de sortie.
Selon une variante du procédé, on utilise au moins deux jets secondaires, de manière à obtenir une variation de la direction du jet résultant dans au moins deux plans sécants afin de balayer au moins une partie d'une surface, telle que la surface d'une charge. En utilisant un jet secondaire dont l'axe n'est pas sécant ou quasi-sécant avec l'axe du jet primaire, l'ouverture du jet résultant au-dessus de la charge peut être variée, uniquement ou en combinaison avec un balayage. On prévoit de préférence des moyens pour contrôler la quantité de mouvement du jet primaire et/ou du au moins un jet secondaire. II est à noter que, bien que dans ce qui précède, l'appareil et le procédé ont été illustrés ci-dessus en faisant référence à une forme de mise en œuvre avec un seul jet primaire qu'on fait interagir avec un ou plusieurs jets secondaires, il est évident que la présente invention couvre également un tel appareil pour l'injection d'une multitude de jets dont l'ouverture et/ou la direction sont variables et notamment le cas ou cette multitude de jets à ouverture et/ou direction variables sont réalisés à partir d'une multitude de jets primaires, chaque jet primaire interagissant avec un ou plusieurs jets secondaires. La figure 5 illustre comment l'invention permet de faire varier deux jets principaux résultants et leur interaction. Une application possible est de faire varier un jet de combustible et un jet de comburant dans un foyer afin de modifier les caractéristiques de la flamme. La figure 5a montre un jet principal de combustible 61 surmonté d'un jet principal d'oxydant 62, dans la situation où aucun de ces jets n'est contrôlé par une interaction avec un ou des jets secondaires. La figure 5b montre ces mêmes jets mais dans une situation où ceux-ci sont contrôlés ou déviés en opposition (jets convergents). Le jet 60 est dévié vers le bas par le jet secondaire 62 alors que le jet 61 est dévié vers le haut par le jet secondaire 63, dirigé de bas en haut (contrairement à 61 ). La figure 5c montre ces mêmes jets principaux dans une situation où les jets sont contrôlés ou déviés dans le même sens (vers le haut sur la figure) : les jets secondaires 63 et 65 agissent de bas en haut respectivement sur les jets principaux 61 et 60, ce qui engendre des jets résultants tous deux dirigés vers le haut. Ces trois exemples permettent d'obtenir des flammes de direction et de morphologie (longueur, aplatissement, etc.) très différentes. La flamme 64 sera très large dans le plan horizontal médian des injecteurs, alors que la flamme 67 sera fortement déviée vers le haut.
Selon l'invention, au point d'interaction entre le jet secondaire et le jet primaire, l'axe du jet secondaire fait avec le plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire un angle qui est inférieur à 90°, et de préférence égal à 0°. Toutefois, comme illustré dans les figures 3C et D, pour des raisons d'encombrement, les canaux alimentant ces jets sont le plus souvent en substance parallèles. Pour réorienter l'écoulement secondaire au niveau de la zone d'interaction des deux écoulements, on peut fixer au bout d'un injecteur à canaux parallèles, une pièce d'extrémité ci-après dénommée pastille d'injection dont la fonction est de transformer la direction du jet secondaire initialement parallèle au jet primaire, en un jet secondaire venant impacter le jet primaire, l'axe dudit jet secondaire étant de préférence situé dans un plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire. Cependant, l'utilisation de l'appareil pour des procédés à très haute température (T pour procédé > 10000C) peut conduire à une surchauffe et une dégradation de la pastille d'injection.
Pour s'affranchir de ce type de problème, on cherchera dans le dimensionnement de la pastille d'injection à réduire la surface frontale de l'appareil soumise au rayonnement dans l'enceinte à haute température. Pour cela, on cherchera à limiter le rapport ^/ .
On peut également utiliser une des deux solutions illustrées dans les figures 9 et 10. La première solution (figure 9) consiste à placer l'appareil 500 dans une pièce réfractaire 501 dont la géométrie et la position relative appareil/ouvreau protégeront le premier d'un rayonnement trop important. La position ou le retrait de l'appareil dans l'ouvreau doit être suffisant pour le protéger du rayonnement mais ne doit pas pour autant limiter l'amplitude directionnelle du jet injecté. Pour cela, on pourra modifier la géométrie de l'ouvreau en éliminant une partie de celui-ci selon la ligne 160 en pointillés sur la figure 9 selon l'angle α.
De préférence, le rapport ^A sera compris dans l'intervalle 0,3 à 3, tandis que
l'angle α appartiendra à l'intervalle [0°, 60°].
La seconde solution consiste à rapporter une pièce réfractaire de type manchon directement sur le nez de l'appareil (où se situe l'ouverture principale de sortie) comme illustré sur la figure 10. Cette solution permet de s'affranchir de la présence d'un ouvreau à la géométrie complexe. Les dimensions du manchon sont telles qu'il ne limite pas l'amplitude directionnelle de l'injecteur. Ceci signifie en particulier que l'épaisseur f du manchon est faible (inférieure au diamètre du jet principal) ou encore que le matériau utilisé pour réaliser ce manchon à une très faible conductibilité thermique. On choisira par exemple de l'alumine.
Les figures 6A et B représentent l'angle d'ouverture du jet résultant en fonction du rapport du débit des jets secondaires (actionneurs) sur le débit du jet primaire (jet principal). Sur la figure 6A, les courbes C1 et C2 représentent respectivement l'angle d'ouverture du jet résultant en fonction du rapport des débits actionneurs/jet principal. C& concerne une configuration CONF1 dans laquelle les actionneurs sont perpendiculaires au jet principal et débouchent à une distance h de l'ouverture principale de sortie et C2 correspond à une configuration identique à CONF1 , mais avec une distance 2xh au lieu de h entre les ouvertures secondaires et l'ouverture principale de sortie. Ces deux courbes montrent que l'ouverture du jet résultant est plus importante lorsque l'impact entre les actionneurs et le jet principal est plus proche de l'ouverture principale de sortie. La figure 6b illustre également les variations de l'angle d' ouverture du jet résultant en fonction du rapport des débits des actionneurs et du jet principal : la courbe C3 correspond à la configuration CONF3 avec des actionneurs impactant le jet principal à 90° (c'est-à-dire suivant un plan perpendiculaire à l'axe du jet principal : θ=0°), à une distance 2xh de l'ouverture principale de sortie (similaire à CONF2), tandis que la courbe C4 correspond à la configuration CONF4 identique à CONF3, à l'exception de l'angle d'incidence α des actionneurs qui est de 45° par rapport à l'axe du jet principal (c'est-à-dire l'angle θ entre l'axe des actionneurs et le plan perpendiculaire à l'axe du jet principale = 90° - α =45°). On remarque que lorsque les jets actionneurs sont perpendiculaires au jet principal (CONF3 : θ=0°), on obtient, toutes choses égales par ailleurs, une ouverture de jets plus importante que lorsque l'angle d'incidence α des jets actionneurs est plus faible (ici 45°) (CONF4 : θ=45°). La figure 7 représente l'angle de déviation (en degrés) en fonction du rapport du débit des jets actionneurs et du débit du jet principal, exprimé en pourcentage. Sur la figure 7 sont représentées quatre courbes, toutes choses égales par ailleurs, pour lesquelles le débit du jet principal est respectivement de 200 ïïmin, 150 ïïmin, 100 ïïmin et 50 ïïmin. On remarque que ces quatre courbes sont quasiment confondues, ce qui montre bien que la déviation du jet principal n'est pas fonction du débit.
La Figure 8 représente une courbe de l'angle d'ouverture du jet résultant en fonction du rapport d'impulsion des jets. Cette courbe rapporte l'ensemble des données expérimentales obtenues pour le contrôle de l'ouverture d'un jet. L'angle d'ouverture mesuré est reporté en fonction du paramètre physique J qui est le rapport des impulsions spécifiques des jets actionneurs et du jet principal. Ce rapport s'écrit comme le produit du rapport des masses volumiques (fluide actionneur sur fluide principal) et du rapport du carré de la vitesse des jets actionneurs et du carré de la vitesse du jet principal). Le fluide principal est le même pour toutes les expériences, tandis que différents fluides ont été utilisés pour les actionneurs. Ces fluides différent principalement par leur masse volumique (de la masse volumique de la plus grande à la plus faible : CO2, Air, mélange Air Hélium). On observe que tous les points expérimentaux (quels que soient les débits et les fluides utilisés) s'alignent sur une droite. Cela montre que le paramètre physique qui contrôle l'ouverture du jet est bien le rapport des impulsions spécifiques défini ci-dessus. L'invention concerne également l'utilisation d'un appareil/d'une lance selon l'invention pour injecter un jet de fluide résultant dont l'ouverture et/ou la direction sont variable, ledit jet résultant pouvant par exemple comprendre l'oxygène et/ou l'azote et/ou l'argon et/ou le dioxyde de carbone et/ou l'hydrogène. Le jet résultant peut en particulier être un jet gazeux, ou encore un jet gazeux comprenant un liquide atomisé et/ou des particules solides entraînés par du gaz. L'appareil peut notamment être utilisé pour injecter un jet de fluide comprenant un combustible et/ou un comburant, par exemple pour alimenter la combustion dans un four.
L'invention est notamment utile pour injecter un jet de fluide supercritique ou supersonique. L'invention peut s'appliquer également aux appareils de cryogénie alimentaire ou industrielle dans lesquels on injecte des jets de liquide cryogénique (par exemple de l'azote liquide), chaque jet pouvant grâce à l'invention et l'utilisation d'un ou plusieurs jets actionneurs, balayer une surface (par exemple « arroser » toute une surface de produits à congeler grâce à une seule buse de jet variable (direction - forme)) etc.)
Le procédé et la technologie de la présente invention peuvent être utilisés pour l'injection par exemple d'azote afin d'inerter certains réacteurs ou procédés. En effet, une combinaison d'injecteurs à direction ou à effet rotationnel (ouverture du jet) variables permet d'homogénéiser plus rapidement l'atmosphère d'un réacteur, par exemple, en augmentant son entraînement dans les jets de gaz inerte, en favorisant l'apport d'azote aux endroits sensibles grâce aux effets directionnels.
L'invention peut également s'appliquer au remplissage des bouteilles de gaz sous pression : l'utilisation de matériaux composites pour le stockage sous pression, par exemple d'hydrogène, dans les réservoirs de faible poids, limite la vitesse de remplissage en raison de risque de points chauds. L'écoulement à l'intérieur de la bouteille s'organise en un jet selon l'axe de la bouteille avec une détente en entrée de la bouteille, puis une zone en aval (fond de bouteille) où les gaz ralentissent et sont comprimés (donc s'échauffent) et deux zones de recirculation de chaque côté où les gaz chauds sont entraînés le long des parois avant d'être entraînés dans le jet central. L'utilisation d'une injection à ouverture variable permet au cours du remplissage de la bouteille d'inverser cette dernière situation. En effet, l'injection d'un jet à effet rotationnel très important permet d'engendrer un écoulement à l'intérieur de la bouteille où les gaz froids refroidis par la détente en entrée de bouteille longeront les parois de la bouteille avant d'être comprimés lorsqu'ils arrivent au fond de la bouteille et à revenir au centre de celle-ci selon l'axe de cette dernière. L'alternance de ces deux situations en cours de remplissage permet de limiter la température de la bouteille et de rester dans un domaine de températures sans risque y compris pour de grandes vitesses de remplissage. Une autre application de l'invention est la trempe gazeuse : la capacité directionnelle des injecteurs selon l'invention permet d'homogénéiser la température dans des pièces de forme complexe et de résistance thermique importante.

Claims

Revendications
1 - Appareil d'injection d'un jet de fluide résultant d'une interaction entre un jet primaire de fluide et au moins un jet secondaire de fluide, l'appareil comportant :
• un passage (10, 310, 410) pour amener le jet primaire vers une ouverture principale de sortie (11 , 311 , 411 ),
• au moins une canalisation secondaire (21 , 321 à 324, 421 à 424) pour l'injection d'un jet secondaire correspondant et débouchant sur le passage par une ouverture secondaire correspondante (31 , 331 à 334, 431 à 434) située en amont de l'ouverture principale, dans lequel :
• la au moins une canalisation secondaire est positionnée par rapport au passage de manière à ce qu'au point d'interaction entre le jet secondaire correspondant et le jet primaire, l'angle θ entre l'axe du jet secondaire correspondant et le plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire est inférieure ou égale à 0° et inférieure à 90°, de préférence de 0° à 80°, encore de préférence de 0° à 45,
• la au moins une ouverture secondaire correspondante est espacée de l'ouverture principale d'une distance L inférieure ou égale à dix fois la racine carrée de la section s de l'ouverture principale, de préférence L < 5*Vs, encore de préférence L < 3*Vs, caractérisé en ce que :
• l'appareil comporte des moyens de régulation de l'impulsion de chaque jet secondaire correspondant, ledit appareil permettant de faire varier la direction et/ou l'ouverture du jet de fluide résultant en changeant l'impulsion d'au moins un jet secondaire correspondant.
2 - Appareil selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de régulation contrôle le rapport entre l'impulsion de chaque jet secondaire correspondant et l'impulsion du jet primaire. 3 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins une canalisation secondaire (321 à 324) positionnée par rapport au passage (310) de telle manière que les axes du jet primaire et du jet secondaire correspondant au niveau de l'ouverture secondaire correspondante (331 à 334) sont sécants ou quasi-sécants afin de pouvoir faire varier l'angle entre l'axe du jet de fluide résultant et l'axe du jet primaire en amont de l'ouverture secondaire correspondante.
4 - Appareil selon la revendication 3, comprenant au moins deux canalisations secondaires (321 à 324) positionnées par rapport au passage (310) de telle manière que les deux ouvertures secondaires correspondantes (331 à 334) sont situées dans un même plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire et qu'au niveau de ces deux ouvertures secondaires correspondantes, les axes des jets secondaires correspondants sont sécants ou quasi-sécants avec l'axe du jet primaire.
5 - Appareil selon la revendication 4, dans lequel les deux ouvertures secondaires correspondantes (331 et 333 ; 332 et 334) se situent dans un même plan perpendiculaire à l'axe du jet primaire et de part et d'autre de cet axe du jet primaire.
6 - Appareil selon la revendication 4, dans lequel, au niveau des deux ouvertures secondaires correspondantes, le plan défini par l'axe du jet primaire et l'une des deux ouvertures secondaires correspondantes (331 ) est perpendiculaire au plan défini par l'axe du jet primaire et l'autre des deux ouvertures secondaires correspondantes (332).
7 - Appareil selon l'une des revendications 4 à 6, comprenant au moins quatre canalisations secondaires (321 à 324) positionnées par rapport au passage (310) de telle manière que les quatre ouvertures secondaires correspondantes (331 à 334) se situent sur une même section transversale du passage (310) ; qu'au niveau de ces quatre ouvertures secondaires (331 à 334) les axes des jets secondaires correspondants sont sécants ou quasi-sécants avec l'axe du jet primaire ; deux des ouvertures secondaires correspondantes (331 et 333) définissant un premier plan avec l'axe du jet primaire selon un premier plan et étant situées de part et d'autre de cet axe, les deux autres ouvertures secondaires correspondantes (332 et 334) définissant un deuxième plan avec l'axe du jet primaire et étant situées de part et d'autre de cet axe.
8 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une canalisation secondaire (421 à 424) est positionnée par rapport au passage (410) de telle manière qu'au niveau de l'ouverture secondaire correspondante (431 à 434) l'axe du jet secondaire correspondant n'est pas en substance coplanaire avec l'axe du jet primaire afin de pouvoir engendrer, maintenir ou renforcer une rotation du jet résultant autour de son axe.
9 - Appareil selon la revendication 8, comprenant au moins deux canalisations secondaires (421 à 424) positionnées par rapport au passage (410) de telle manière que les axes des jets secondaires correspondants ne sont pas en substance coplanaires avec l'axe du jet primaire et que les jets secondaires correspondants sont orientés selon un même sens de rotation autour de l'axe du jet primaire.
10 - Appareil selon la revendication 9, dans lequel les deux ouvertures secondaires (431 à 434) correspondant aux deux canalisations secondaires (421 à 424) se situent sur une même section transversale du passage 410.
11 - Appareil selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel les deux ouvertures secondaires (431 et 433) correspondantes sont situées de part et autre de l'axe du jet primaire.
12 - Appareil selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel, au niveau des deux ouvertures secondaires correspondantes, le plan défini par l'axe du jet primaire et l'une des deux ouvertures secondaires correspondantes (431 ) est perpendiculaire au plan défini par l'axe du jet primaire et l'autre des deux ouvertures secondaires correspondantes (432). 13 - Appareil selon l'une des revendications 9 à 12, comprenant au moins quatre canalisations secondaires (421 à 424) positionnées par rapport au passage de telle manière que les quatre ouvertures secondaires correspondantes (431 à 434) se situent sur une même section transversale du passage (410) et qu'au niveau de ces quatre ouvertures secondaires correspondantes les axes des jets secondaires correspondants ne sont pas en substance coplanaires avec l'axe du jet primaire, deux de ces ouvertures secondaires correspondantes (431 et 433) définissant un premier plan avec l'axe du jet primaire et étant situées de part et d'autre de cet axe, les deux autres ouvertures secondaires correspondantes (432 et 434) définissant un deuxième plan avec l'axe du jet primaire et étant également situées de part et d'autre de cet axe, les quatre jets secondaires correspondants étant orientés selon un même sens d'orientation autour de l'axe du jet primaire.
14 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une canalisation secondaire (21 ) est positionnée par rapport au passage de manière à ce qu'au niveau de l'ouverture secondaire correspondante (31 ) la canalisation secondaire présente une épaisseur e et une hauteur (, l'hauteur î étant supérieure ou égale à 0,5 fois l'épaisseur e, de préférence comprise entre 0,5 x e et 5 x e.
15 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie du passage est constituée d'une canalisation primaire (308) pour l'injection du jet primaire et débouchant sur une ouverture primaire (309).
16 - Appareil selon la revendication 15, dans lequel l'ouverture primaire (309) est positionnée en amont de l'ouverture principale (311 ).
17 - Appareil selon la revendication 16 comportant au moins une ouverture secondaire (334) adjacente de l'ouverture primaire (311 ) et située entre l'ouverture principale (311 ) et l'ouverture primaire (309). 18 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens pour contrôler le rapport des impulsions du jet de fluide principal et du jet de fluide secondaire.
19 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, comportant un bloc de matériau (5) dans lequel au moins une partie du passage (10) est situé, l'ouverture principale (11 ) étant située sur l'une des faces ou surfaces (6) du bloc.
20 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens pour contrôler les impulsions des jets primaire et/ou secondaires.
21 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour contrôler le débit de fluide des jets primaire et/ou secondaires.
22 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la section du passage au niveau d'une ouverture secondaire et la section de l'ouverture secondaire est compris entre 5 et 50, de préférence entre 15 et 30.
23 - Appareil selon l'une des revendications précédentes comportant une tuyère de Laval munie d'un système convergent/divergent disposée sur le passage (10, 310, 410) en amont ou en aval de la au moins une ouverture secondaire (31 , 331 à 334, 431 à 434).
24 - Utilisation d'un appareil selon l'une des revendications précédentes, pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide.
25 - Utilisation selon la revendication 24 pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide comprenant un combustible et/ou un comburant.
26 - Utilisation selon l'une des revendications 24 et 25 pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide supercritique. 27 - Utilisation selon l'une des revendications 24 à 26 pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide alimentant une combustion, au cours d'un procédé de cryogénie alimentaire, au cours d'un remplissage de bouteilles de gaz ou au cours d'une trempe gazeuse.
28 - Utilisation selon l'une des revendications 24 à 26 pour faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet de fluide comprenant un liquide et/ou des particules solides.
PCT/FR2007/051597 2006-07-06 2007-07-05 Appareil d' injection d' un jet de fluide de direction et/ou ouverture variable WO2008003907A2 (fr)

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