L'invention concerne les injecteurs de combustible sous forme d'un brouillard (connu dans la technique sous le nom de spray), pour des brûleurs à fioul comportant une canne traversée par des canaux coaxiaux dont l'un amène un fluide de pulvérisation et un autre un combustible liquide qui sont ensuite transmis à cet injecteur. Elle concerne également les brûleurs munis d'un tel injecteur.
On connaît une grande variété de dispositifs de pulvérisation ou pulvérisation de liquide comportant coaxialèment un certain nombre de canaux pour amener sous pression un ou plusieurs liquides à pulvériser et un ou plusieurs gaz de pulvérisation à un orifice de sortie de produit pulvérisé.
En effet, les moyens adaptés pour pulvériser un liquide donné dans les meilleures conditions ne donnent pas nécessairement les meilleurs résultats pour un autre liquide présentant des propriétés physiques différentes, et de plus la composition recherchée pour le brouillard varie d'une application à une autre.
On connaît par exemple par les brevets US 2 565 696, 3 035 775, 3 533 558, 3 662 960 et 3 805 869, des dispositifs destinés respectivement à la projection de béton, à la projection des composants d'une mousse de polyuréthane, à la pulvérisation de solutions d'amidon très visqueuses, à l'injection de carburants liquides pour moteurs fusées, et à la pulvérisation de solutions de chlorure de polyvinyle en atmosphère sèche en vue de leur transformation en poudre ; ces dispositifs présentent des structures très diverses afin de créer, dans les canaux, des écoulements selon des modes spécifiques, par exemple hélicoïdaux dans le cas du document US 3 533 559, en vue d'une mise en présence optimale des divers composants immédiatement avant ou au moment de leur sortie du dispositif.
Cependant, la pulvérisation de liquides combustibles dans les brûleurs pose de plus des problèmes spécifiques tels qu'éviter les retours de flamme et la cokéfaction de l'injecteur de sortie, qui entraînent l'impossibilité d'appliquer directement ou d'adapter simplement les dispositifs des autres domaines, et que l'on a de tous temps cherché à résoudre par des moyens appropriés.
Le brevet GB 209691 A décrit un injecteur de combustible comportant intérieurement un canal par lequel un combustible liquide et un fluide de pulvérisation peuvent être transmis à la partie aval de l'injecteur. La partie aval présente intérieurement dans l'alignement longitudinal du canal et en succession vers l'extrémité libre, une chambre présentant une section transversale supérieure à celle dudit canal, un goulet prolongeant la chambre présentant une forme cylindrique et une section transversale inférieure à celle de ladite chambre, et une bouche de projection ouverte à l'extrémité libre de l'injecteur, présentant une section transversale supérieure à celle dudit goulet.
Le brevet US 792 265 montre un brûleur comportant coaxialement un canal central parcouru par un liquide combustible, et deux canaux annulaires parcourus par un courant de vapeur sous pression, alimentés dans leur région amont respectivement par le liquide à projeter et par la vapeur ; l'extrémité libre (aval) de la première cloison annulaire, commune au canal central et au canal annulaire immédiatement voisin, est très en amont de l'extrémité libre (aval) de la deuxième cloison annulaire ; de la sorte, une première pulvérisation externe du liquide combustible est réalisée lors du cisaillement par l'extérieur, du jet de liquide, par la vapeur arrivant annulairement autour de ce jet, au niveau de l'extrémité libre formant buse de la première cloison annulaire ; la deuxième cloison annulaire détermine intérieurement à partir de cette extrémité libre un nouveau canal central par où transite le courant qui résulte de la première pulvérisation ; ce courant est soumis à une deuxième pulvérisation externe au niveau des extrémités libres, se situant dans le même plan transversal, des deux cloisons formant buse du deuxième canal annulaire. Avec cette structure, l'obtention d'un brouillard de caractéristiques précises est très difficile.
Le brevet US 1 279 315 montre un brûleur de structure voisine, mais dans lequel le premier canal annulaire est parcouru par un courant d'air, tandis que le deuxième est parcouru par un courant d'air ou de vapeur, avec les mêmes inconvénients que ceux mentionnés précédemment.
Il a été considéré qu'en amenant un fluide liquide à pulvériser, annulairement autour d'un premier fluide gazeux de pulvérisation, on pourrait mieux maîtriser le processus de pulvérisation.
Ainsi, on connaît également des dispositifs de pulvérisation de liquide comportant coaxialement, de l'intérieur vers l'extérieur, un canal central parcouru par un gaz de pulvérisation, un canal annulaire parcouru par le produit, à l'état liquide, à pulvériser, et un canal annulaire parcouru également par un gaz de pulvérisation, alimentés dans une première région d'extrémité (région amont) par les fluides de pulvérisation et à projeter, et comportant des buses respectives dans la seconde région d'extrémité (région aval) afin de projeter le produit initialement à l'état liquide, sous la forme de gouttelettes en suspension dans les fluides de pulvérisation.
Cela est le cas notamment pour les objets des documents GB 672 441, EP 0 105 493 et EP 0 593 171, mais là encore la technique antérieure ne donne pas entièrement satisfaction pour la pulvérisation d'un liquide combustible dans l'ouvreau d'un four.
En effet, dans ces trois documents, les extrémités aval respectives au moins des deux canaux annulaires se terminent par une buse dont l'extrémité aval du canal central, légèrement en retrait à l'intérieur du canal annulaire intermédiaire, est néanmoins très proche ; il en résulte que bien que le produit à l'état liquide à pulvériser soit transmis par le canal annulaire intermédiaire, la pulvérisation réalisée par le gaz de pulvérisation intérieur est assimilable à une pulvérisation externe (elle résulte du cisaillement du jet de liquide par l'extrémité anguleuse de la paroi extérieure du canal annulaire pour le liquide) ; la pulvérisation réalisée par le gaz de pulvérisation extérieur est naturellement une pulvérisation externe également, et ainsi ces dispositifs peuvent être considérés comme étant à deux pulvérisations externes. En conséquence, la maîtrise fine de l'état de pulvérisation du brouillard (diamètre moyen des gouttes et fraction des petites gouttes) est donc très délicate.
Il en résulte que malgré l'existence des dispositifs de ces trois documents, il restait à créer un dispositif provoquant d'une part une pulvérisation interne et d'autre part une pulvérisation externe du liquide à projeter.
A cette fin, dans un type de brûleur à fioul connu comportant un dispositif de pulvérisation selon le document de brevet FR 2 737 138, il est prévu une canne comportant une partie d'entrée comprenant coaxialement depuis un canal central pour un fluide de pulvérisation « interne » du fioul, un canal annulaire pour le fioul, et un canal annulaire pour un fluide de pulvérisation « externe » ; entre la paroi extérieure de la canne, et la cloison du brûleur, est déterminé un canal annulaire supplémentaire amenant un gaz comburant. Dans la partie de sortie de la canne mais nettement en amont de son extrémité de sortie, le canal central pour le fluide de pulvérisation interne se termine par un injecteur « interne » débouchant dans le canal pour le fioul formant ainsi, en aval de l'injecteur interne, un canal central de confinement constituant un espace de prépulvérisation pour le fluide de pulvérisation interne et le fioul, entouré du canal annulaire pour le fluide de pulvérisation externe, tandis que le canal pour le gaz comburant subsiste entre la paroi extérieure de la canne et la cloison du brûleur.
Tout ou partie de l'espace de prépulvérisation peut être réalisé dans une pièce sous la forme d'un injecteur « de mélange » par lequel est injecté dans l'ouvreau du brûleur, le fioul pulvérisé par le fluide de pulvérisation interne, et autour duquel est injecté le fluide de pulvérisation externe.
L'invention concerne plus précisément un tel injecteur de mélange combustible parcouru par un fluide de pulvérisation interne et le combustible proprement dit (liquide), et vise donc à créer un injecteur de brouillard combustible permettant une amélioration de la qualité de pulvérisation, d'une part en évitant la présence de « paillettes » au sein de la flamme produite par le brûleur, le terme « paillettes » désignant des gouttes de combustible suffisamment grosses pour rester individuellement très nettement visibles lorsqu'elles brûlent au sein de la flamme, et d'autre part en augmentant la stabilité de la flamme, l'accrochage de la flamme au nez du brûleur étant rendue quasi systématique.
On peut escompter atteindre ce but par la diminution du temps moyen nécessaire à l'évaporation de la population de gouttes, en augmentant la fraction massique de petites gouttes (diamètre plus petit que 20 µm) au sein du brouillard et en diminuant le diamètre moyen de l'ensemble des gouttes (à débits de fluide de pulvérisation et de liquide combustible constants).
En effet, dans l'injecteur de mélange du dispositif connu par le document FR 2 737 I38, qui peut être agencé comme représenté sur la figure 1, le canal central longitudinal de confinement constituant l'espace de prépulvérisation présente deux régions 11, 12 de diamètres différents raccordées tronconiquement dans une zone 13, la région 11 de plus grand diamètre constituant la région d'entrée de l'injecteur et la région 12 de plus petit diamètre sa région de sortie.
Généralement, le rapport de la longueur de la région 12 à son diamètre est de l'ordre de 8 à 12, et typiquement égal à 9 environ.
Dans cet injecteur de mélange combustible sous la forme d'un brouillard, on constate la formation d'un film 21 de combustible liquide d'épaisseur approximativement constante tout le long de la région 11 de grand diamètre du canal central, raccordé à un film 22 s'étendant le long de la région de petit diamètre par une zone tronconique 23 ; cependant, la forme intérieurement tronconique du film s'étend au-delà du raccordement tronconique des deux régions cylindriques du canal, ce qui entraîne la formation d'une surépaisseur du film dans la région de petit diamètre, l'épaisseur du film 22 de cette région décroissant ensuite jusqu'à l'extrémité libre de l'injecteur.
Il apparaît que dans ces conditions, la pulvérisation du combustible liquide résulte de l'arrachement du film qui garnit la paroi du canal de l'injecteur, qui d'une part, produit des gouttes relativement grosses, et d'autre part entraîne rapidement les petites gouttelettes dans le courant de fluide de pulvérisation (par exemple de l'air), circulant à grande vitesse, ce qui limite la quantité de combustible évaporée localement et ne permet pas une bonne combustion du fioul lourd.
L'invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en augmentant la fraction massique de petites gouttes, et en diminuant le diamètre moyen des gouttes et la vitesse des petites gouttes, et également d'améliorer la stabilité de la flamme à l'intérieur et à l'extérieur de l'ouvreau du brûleur grâce à l'adoption d'une géométrie appropriée pour l'injecteur, ou au moins pour la partie aval de celui-ci qui se termine par son extrémité libre.
A cet effet, l'invention concerne un injecteur de combustible, notamment pour brûleur à fioul, comportant intérieurement un canal par lequel un combustible à l'état liquide au moins partiellement sous la forme d'un film tapissant la paroi interne du canal et un fluide de pulvérisation sont transmis à la partie aval de l'injecteur se terminant par l'extrémité libre de celui-ci par laquelle le combustible est projeté hors de l'injecteur en formant un brouillard avec le courant de fluide de pulvérisation, caractérisé en ce que cette partie aval présente intérieurement dans l'alignement longitudinal du canal et en succession vers l'extrémité libre, une chambre de déstabilisation du film présentant une section transversale supérieure à celle du canal, un goulet d'arrachage du film prolongeant la chambre de déstabilisation et présentant une forme cylindrique et une section transversale inférieure à celle de cette chambre, et une bouche de projection ouverte à l'extrémité libre de l'injecteur, dans laquelle débouche le goulet d'arrachage, et présentant une section transversale supérieure à celle du goulet, et en ce que la bouche de projection est un cylindre, et sa longueur est au plus égale au diamètre du goulet.
Grâce à cette configuration, le film de combustible liquide est détaché de la paroi du canal plus aisément que dans les injecteurs de mélange combustible selon la technique antérieure, lorsqu'il a pénétré dans le goulet prévu à cette fin, et il en résulte la formation de gouttelettes plus fines en plus grande quantité.
L'injecteur selon l'invention peut de plus présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le goulet d'arrachage présente une section transversale inférieure à celle du canal ;
- la chambre de déstabilisation présente une section circulaire dont le diamètre est supérieur environ de moitié au diamètre du canal, de section également circulaire ;
- la chambre de déstabilisation présente une section circulaire, et sa longueur est approximativement triple de son diamètre ;
- le goulet d'arrachage présente une longueur qui est plus faible que son diamètre ;
- le goulet d'arrachage présente une longueur qui est supérieure au quart de son diamètre ;
- la bouche de projection présente une longueur qui est au moins égale à la moitié du diamètre du goulet ;
- la bouche de projection présente un diamètre qui est supérieur environ de moitié au diamètre du goulet d'arrachage, de section également circulaire ;
- la bouche de projection est entourée par une cloison annulaire dont le diamètre extérieur est supérieur d'environ 1 mm au diamètre intérieur ;
- ladite partie aval est métallique ;
- il est entièrement métallique.
L'invention concerne également un brûleur du type comportant une canne dont une extrémité aval porte un injecteur de mélange tel que mentionné ci-dessus et un injecteur externe, caractérisé en ce que la canne présente intérieurement un filetage dans lequel est vissé l'injecteur de mélange et extérieurement un filetage autour duquel est vissé l'injecteur externe, et comporte un canal annulaire se prolongeant par un espace déterminé entre l'injecteur externe et l'injecteur de mélange.
Grâce à cette structure, l'adaptation de l'injecteur selon l'invention sur un brûleur, que ce soit en « première monte » ou en remplacement d'un injecteur antérieur est simple et rapide.
Le brûleur selon l'invention peut de plus présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- les extrémités libres des deux injecteurs débouchent dans le même plan ;
- il comporte un corps portant extérieurement une bride de fixation à un bloc ouvreau, et une bride d'assemblage à une bride de la canne ;
- il comporte un corps portant extérieurement des chapes comportant chacune un pivot autour duquel est articulée une tige filetée adaptée pour se loger dans des encoches correspondantes en regard dans la région périphérique de deux brides portées respectivement par le corps du brûleur et par la canne, qu'elle traverse de part en part et qui est bloquée par un écrou.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les dessins joints dans lesquels :
- la figure 1 est une section longitudinale schématique d'un injecteur selon la technique antérieure,
- la figure 2 est une section longitudinale schématique de la partie aval d'un injecteur selon l'invention,
- la figure 3 est une section longitudinale schématique montrant la partie aval d'une canne de pulvérisation munie d'un injecteur selon l'invention ; et
- la figure 4 montre schématiquement le montage d'un brûleur comportant une telle canne, selon l'invention, sur un bloc ouvreau d'un four par exemple de fusion de verre.
L'injecteur 3 de mélange combustible, notamment pour brûleur à fioul, dont la partie aval est représentée sur la figure 2, peut être réalisé en une seule pièce, ou encore être formé de plusieurs pièces distinctes dont l'une est constituée, par exemple, principalement de la partie aval de cette figure.
Cet injecteur comporte intérieurement un canal cylindrique 31 par lequel un combustible à l'état liquide et un fluide de pulvérisation sont transmis vers son extrémité libre aval de telle sorte que le combustible soit projeté en formant un brouillard avec le courant de fluide de pulvérisation.
Dans sa partie aval, l'injecteur présente intérieurement, dans l'alignement longitudinal du canal 31 et en succession vers l'extrémité libre de cette partie, une chambre 32 de déstabilisation du film présentant une section transversale supérieure à celle du canal, un goulet 33 d'arrachage du film prolongeant la chambre de déstabilisation et présentant une forme cylindrique et une section transversale inférieure à celle de cette chambre et à celle du canal, et une bouche de projection 34 ouverte à l'extrémité libre de l'injecteur, dans laquelle débouche le goulet d'arrachage, et présentant une section transversale supérieure à celle du goulet.
La bouche de projection 34 est un cylindre, et sa longueur est au plus égale au diamètre du goulet 33.
La chambre 32 se raccorde au canal 31 et au goulet 33 par des épaulements définissant des surfaces perpendiculaires à la direction d'écoulement indiquée par une flèche sur les figures ; en revanche, le goulet 33 et la bouche 34 se raccordent tronconiquement, le tronc de cône de raccordement présentant un angle au sommet très obtus.
L'épaisseur de la cloison entourant la bouche de projection 34 est faible, comme on le verra dans la suite, pour éviter les risques de cokéfaction à l'extrémité de l'injecteur.
Ainsi, comme dans les injecteurs connus, le combustible à l'état liquide parcourt le canal 31 au moins partiellement sous la forme d'un film tapissant la paroi interne du canal.
Cependant, c'est par l'intermédiaire de la chambre 32 que le canal 31 est relié à la région d'arrachage du film constituée par le goulet 33 dressant un obstacle à l'écoulement et ainsi favorisant l'éclatement du film de combustible liquide par le flux de fluide gazeux de pulvérisation.
Grâce à la chambre 32, l'accrochage du film sur la paroi interne de l'injecteur est déstabilisé, les brusques variations de section qui se traduisent par la présence des épaulements dont la surface s'étend perpendiculairement à la direction de l'écoulement facilitant l'arrachage et la pulvérisation réalisés ensuite au niveau du goulet 33. Egalement, la chambre 32 de plus grand diamètre que le canal 31 diminue la vitesse des petites gouttes transportées par l'air de pulvérisation dont l'effet inertiel est négligeable par suite de leur faible masse.
Pour éviter toute coalescence des gouttes formées, la longueur du goulet est relativement faible devant son diamètre.
Le brouillard résultant de la pulvérisation est ensuite guidé dans la bouche de projection 34, qui ne doit pas être trop longue également pour éviter la coalescence des gouttes, mais doit l'être cependant suffisamment pour permettre le retour à un écoulement établi du brouillard.
Comme on l'a vu, la faible épaisseur de la cloison entourant la bouche de projection 34 permet de prévenir les risques de cokéfaction à l'extrémité de l'injecteur, en diminuant la surface exposée au rayonnement du four.
En revanche, pour des raisons de résistance mécanique, l'épaisseur dans les autres régions est plus grande, et cette partie aval présente extérieurement une forme générale cylindrique se raccordant tronconiquement à la région entourant la bouche 34.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le canal 31, la chambre 32 de déstabilisation, le goulet 33 d'arrachage, et la bouche de projection 34 présentent une section transversale droite circulaire.
L'optimisation du fonctionnement de cette partie aval est liée à une certaine géométrie et plus particulièrement à l'existence des relations dimensionnelles suivantes, dans lesquelles
- D1 est le diamètre du canal 31,
- D2 et L1 sont respectivement le diamètre et la longueur de la chambre 32 de déstabilisation du film,
- D3 et L2 sont respectivement le diamètre et la longueur du goulet 33 d'arrachage du film,
- D4 et L3 sont respectivement le diamètre et la longueur de la bouche de projection 34,
- D5 est le diamètre extérieur de la cloison entourant la bouche de projection 34 :
Enfin, D5 - D4, comme on l'a vu, doit être faible, mais pour des raisons de résistance mécanique, on adopte D5 - D4 ≈ 1 mm.
De préférence, au moins cette partie aval de l'injecteur est métallique, pour des raisons de résistance mécanique et de tenue en température.
L'injecteur qui vient d'être décrit est destiné à équiper un brûleur comportant une canne 4 dont l'extrémité aval portant l'injecteur et débouchant dans le bloc ouvreau d'un four est représentée schématiquement sur la figure 3, le montage du brûleur selon l'invention par rapport au bloc ouvreau étant lui-même représenté schématiquement sur la figure 4.
L'extrémité aval de la canne 4 comporte extérieurement un filetage autour duquel est vissé un injecteur externe 5, et intérieurement un filetage dans lequel est vissé l'injecteur de mélange 3 qui vient d'être décrit ; l'espace annulaire 51 déterminé entre l'injecteur externe et l'injecteur de mélange, dans le prolongement d'un canal annulaire 41 de la canne pour le fluide de pulvérisation externe, épouse le contour de l'injecteur de mélange jusqu'aux extrémités libres respectives des deux injecteurs 3, 5 qui débouchent dans le même plan ; en revanche, l'injecteur interne par lequel le fluide de pulvérisation interne est introduit dans le courant de combustible est en retrait dans la canne 4, en amont de l'injecteur de mélange.
Le bloc ouvreau 6 dans lequel est introduit la canne 4 traversant d'amont en aval le corps du brûleur 7, comporte intérieurement deux régions respectivement amont 61 et aval 62 débouchant respectivement à l'extérieur et à l'intérieur du four, de forme générale cylindrique, raccordées par une région intermédiaire tronconique 63. Plus précisément, la région cylindrique aval 62, de plus grand diamètre, débouche dans le four en s'épanouissant légèrement, et la région amont 61 comporte un épaulement pour positionner en butée la paroi extérieure du corps du brûleur 7.
La canne 4 est positionnée dans le bloc ouvreau de telle sorte que soit défini entre sa paroi extérieure et la paroi intérieure du bloc, un canal annulaire pour le comburant, et que l'extrémité libre de l'injecteur externe 5 soit aux environs de l'extrémité aval de la région amont 61 se raccordant à la région tronconique 63. Le centrage de la canne dans la région amont 61 est réalisé au moyen d'une bague 42 fixée autour de la canne, présentant naturellement des passages s'étendant d'amont en aval, pour le comburant. Le comburant est amené dans le corps du brûleur 7 par une conduite latérale 71 débouchant dans la région amont de celui-ci.
Extérieurement et côté amont, le bloc ouvreau présente une région de fixation du brûleur sous la forme d'une saillie présentant des parois opposées à épaulements 64, 65 dont l'épaulement supérieur 65 est raccordé au corps du bloc ouvreau par une saignée 66 ; le corps du brûleur comporte une bride extérieure 72, et la fixation amovible du brûleur à l'ouvreau est réalisée au moyen d'un dispositif 8 comportant des éléments d'accrochage 81 en tôle pliée épousant approximativement la forme des épaulements ; ces éléments d'accrochage présentent un rebord d'extrémité 82 inséré dans la saignée 66, et sont munis d'organes filetés 83 adaptés pour se loger dans des encoches 73 s'étendant dans la région périphérique de la bride 72 qu'ils traversent de part en part et bloqués par des écrous 84.
Le corps du brûleur 7 et la canne 4 sont fixés l'un à l'autre au niveau de brides 74, 43 respectives soudées autour d'eux, au moyen d'un dispositif de fixation amovible comprenant des chapes 75 portées par la paroi périphérique du corps du brûleur comportant chacune un pivot 76 autour duquel est articulée une tige filetée 77 adaptée pour se loger dans des encoches correspondantes en regard dans la région périphérique des deux brides 74, 43 qu'elle traverse de part en part et qui est bloquée par un écrou 78.
Grâce à cet agencement, le montage du corps du brûleur sur le bloc ouvreau au moyen du dispositif de fixation 8 est rapide puisqu'il suffit de mettre en place les éléments d'accrochage 81 sur la saillie à épaulements 64, 65 et d'y fixer la bride 72 au moyen des écrous 84 ; puis le montage de la canne 4 dans le corps du brûleur est effectué aisément en mettant sa bride 43 en regard de la bride 74 du corps du brûleur et en serrant les écrous 78 autour des tiges filetées 77 après que celles-ci ont été basculées dans les encoches des deux brides.
Le brûleur étant monté dans ces conditions, d'une part le brouillard issu de l'injecteur est constitué en majorité de gouttelettes plus fines qu'au moyen des injecteurs de la technique antérieure, et aussi entraînées à moins grande vitesse, ce qui favorise la combustion des fiouls lourds, et d'autre part la flamme est plus stable dans la région de l'ouvreau.