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"Perfectionnements aux-brûleurs de gaz à mélange préalable des gaz".
La présente invention est relative à des perfectionnements apportés aux brûleurs de gaz à mélange préalable des gaz, notamment aux chalumeaux soudeurs ou coupeurs; on sait que les appaeils en question présentent dans certaines circonstances l'inconvénient appelé "rentrée de flamme" ou "prise à l'injecteur"; celui-ci ré- side en ce que, sous l'influence de causes très diverses, telles que par exemple l'obstruction totale ou partielle de la buse d'ex- trémité d'où sort la flamme, obstruction résultant par exemple de projections provenant du corps chauffé, la flamme rentre à l'in- térieur du brûleur et vient brûler au voisinage du mélangeur et de l'injecteur; ceci occasionne dans le brûleur des détériorations d'autant plus graves que l'on tarde davantage à arrêter l'écoule- ment du gaz combustible.
Ces inconvénients sont particulièrement sensibles dans le cas des chalumeaux soudeurs ou-coupeurs oxy- acétyléniques, du fait de la haute ,température de la flamme et de sa grande vitesse de déflagration.
Les divers dispositifs utilisés jusqu'ici, pour remédier à
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ces inconvénients, n'ont pas donné de résultats entièrement satisfaisants. C'est ainsi que des chalumeaux où le mélange gazeux passe à travers plusieurs; conduits ayant chacun une sec- tion faible, ou bien circule dans un passage étroit de grande section, donnent encore lieu à des retours de flamme et compli- quent la construction. D'autre part, des tubes remplis de ma- tière finement divisée et traversés par le mélange gazeux arrê- tent bien la flamme, mais occasionnent une perte de charge relativement importante dans l'écoulement des gaz.
La présente invention remédie complètement à ces inconvé- nients et elle consiste, dans des brûleurs comportant une partie à section de passage réduite disposée entre la partie la plus étroite dite col du mélangeur et le col de la buse d'extrémité, suivant une première forme d'exécution, en ce que cette partie forme un orifice de forme circulaire, qui est choisi sensiblement équivalent à l'orifice formé par la partie la plus étroite dite col du mélangeur, l'entrée de cette partie du côté amont dans le sens de l'écoulement normal du mélange gazeux ayant lieu par un cône convergent ou par une arête et sa sortie du côté aval ayant lieu de préférence par une arête.
Suivait uce variante la section en question est frac- tionnée sous forme de plusieurs orifices circulaires placés côte à côte dont la section totale est choisie sensiblement équivalente à l'orifice formé par le col du mélangeur, l'entrée de chacun de ces orifices du côté amont ayant lieu par un cône convergent ou par une arête et sa sortie du coté aval aant lieu de préférence par une arête.
Dans une autre variante, il existe, au lieu d'une seule partie à section de passage réduite, plusieurs parties chacune de section réduite placées les unes à la suite des autres, et chacune conforme à la caracétéristique ci-dessus. Ces formes de réalisation peuvent être combinées ensemble.
Il est à noter que, par rapport aux chalumeaux antérieurs ci-dessus rappelés, la section résultant de l'invention est
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bien plus faible que celle que 'l'on trouve dans les dits cha- lumeaux et on a constaté que, malgré cette section réduite, la perte.de charge n'est pas très sensiblement augmentée.
L'invention sera bien comprise en se reportant au dessin ci-joint dans lequel la figure 1 représente 'schématiquement en coupe un brûleur à mélange de gaz préalable du type usuel, et la figure 2 un brûleur conforme à la présente invention. Dans ces deux figures, 1 désigne l'injecteur du gaz moteur, 2 le col du mélangeur, 3 le tube de mélange, 5 le col de la buse d'extré- mité du brûleur, muni par exemple comme dans la figure 1, de plusieurs orifices et à la sortie de laquelle se produit la flamme; cette buse peut avoir une longueur nulle. En-dessous on a représenté la variation de la pression statique effective P le long du parcours du mélange gazeux.
En dessous encore, on a représenté la variation de la vitesse d'écoulement W du même mélange gazeux, l'axe des abscisses étant la vitesse U de défla- gration-du dit mélange.
Sur la figure 1, on voit que dans les brûleurs usuels la pression du mélange, qui est voisine de la pression atmosphérique dans le col 2 du mélangeur, augmente dans le tube de mélange 3, puis décroît jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique dans le col 5 de la buse. La vitesse du mélange gazeux, qui est élevée dans le col du mélangeur, décroît dans le tube de mélange jusqu'à être voisine de la vitesse U de déflagration du mélange, tout en étant supérieure à celle-ci, puis augmente à nouveau dans le col de la buse. Si, comme on l'a expliqué plus haut, le col 5 de la buse se bouche accidentellement, ou si pout toute autre cause, la flamme rentre à l'intérieur de la buse, elle ne rencontre plus, pour s'opposer à son retour, qu'un mélange de gaz ayant une vites- se d'écoulement relativenent faible.
D'autre part, le volume de mélange gazeux à pression relativement élevée contenu dans le tube de mélangeur 3 ne peut continuer à s'écouler vers le col 5 de la buse, il tend à refluer vers le col 2 du mélangeur sous l'action de la différence de pression régnant entre 3 et 2, et ceci facilite la "rentrée de flamme" ou "prise à l'injecteur".
Suivant l'invention, (figure 2) une partie à section de
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passage réduite 4 est disposée à l'intérieur du tube de mélange 5 et forme un orifice de forme circulaire ':lui est choisi sensi- blement équivalent au col du mélangeur, ce qui donne à cet endroit pour le mélange gazeux une vitesse d'écoulement de l'ordre de 10 fois la vitesse de déflagration de ce mélange, par exemple entre 7 et 13 fois. C'est cette très grande vitesse que l'on observe dans la courbe W au bas de la figure, qui s'oppose à ce que la flamme franchisse la partie à section de passage réduite.
D'autre part, le volume gazeux compris entre 4 et 5 est, comme le représente la courbe des pressions statiques effec- tives p, sous une pression notable ; lorsqu'il ne peut plus s'é- couler vers 5, il reflue vers 4 qui est sous une pression peu supérieure à la pression atmosphérique en favorisant ainsi le retour de flamme, mais au cas où celui-.ci a lieu, la flamme est soufflée par la pression qui règne entre 2 et 4 et qui est supérieure à la pression en 4; d'où une nouvelle cause d'arrêt de rentrée de flamme venant s'ajouter à l'action si- gnalée plus haut de la très grande vitesse d'écoulement du mélange gazeux dans la partie à section de passage réduite 4.
Il est facile de déterminer expérimentalement l'emplacement à donner à la partie 4 de façon à ce que son effet soit maximum Des essais ont montré que la longueur de cette partie à section de passage réduite est de préférence courte, de manière à ne pas augmenter la perte (le charge. Suivant l'invention, la lon- gueur de l'orifice ou de chacun des orifices est de l'ordre de 2 à 20 fois, de préférence 5 fois leur diamètre; l'entrée du mélange gazeux dans cette partie de section réduite peut être effectuée, soit par une partie conique convergente comme repré- senté sur la figure 2, soit sans cette partie conique et avec une arête comme l'est de préférence la sortie.
Pour des facilités de fabrication, on peut placer cette partie à section de passage réduite au raccordement du tube de mélange, soit avec la partie amont, soit avec la partie aval,
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c'est-à-dire soit en 6, soit en 7. Notamment dans les ohalu- meaux coupeurs à jet central d'oxygène, on peut utiliser,au lieu d'un seul orifice pour le passage du mélange de chauffe, plusieurs orifices'circulaires placés côte à côte et dont l'ensemble est équivalent au col du mélangeur.
Pour renforcer l'effet obtenu, on peut'disposer plusieurs parties à section de passage réduite les unes à la suite des autres, entre le col du mélangeur et le col'de la buse,leurs emplacements étant déterminés expérimentalement. d'execution
Une seconde forme/de l'invention consiste a remplacer un ou plusieurs des orifices de section réduite et de forme circulaire ci-dessus par un ou plusieurs orifices de section réduite dans les mêmes conditions que ci-dessus, mais de forme annulaire et de passage totalement ou partiellement libre placés en série ; deplus, suivant l'invention, il y a lieu de donner à chacun de ces orifices annulaires une longueur faible, de l'ordre de 2 à 10 fois, de préférence 5 fois, leur largeur radiale.
On sait que pour arrêter la combustion d'un mélange gazeux, on, a déjà utilisé le passage de celui-ci entre deux, parois très rapprochées, celles-ci étant d'une grande lon- gueur de l'ordre de 50 à 100 fois au moins la distance entre elles, suivant la nature du mélange gazeux. C'est ainsi que l'on arrête la rentrée de flamme dans les chalumeaux oxy- acétyléniques en faisant passer le mélange gazeux entre deux tubes concentriques laissant entre eux un espace de 0,5 m/m de largeur radiale et-ayant une longueur de 80 m/m: On explique d'ordinaire que le contact avec des masses métalliques im- portantes refroidit le mélange combustible au dessous de sa température d'inflammation.et'par conséquent eteint la flamme.
De plus, le contact des gaz avec une paroi le long d'une sur- face de grande étendue régularise l'écoulement et -le rend la- minaire, ce que-met en évidence le calcul du nombre de Reynolds qui est alors faible. Or la vitesse de déflagration d'un mé=
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lange gazeux combustible croît très généralement avec le nombre de Reynolds qui caractérise l'écoulement.
Hais ce dispositif, s'il est très sûr, a le gros inconvé- nient d'être lourd et encombrant, car la distance radiale entre les deux tubes c oncentriques doit être inférieure à un maximum, 'différent d'ailleurs pour chaque mélange gazeux, et d'autre part la vitesse d'écoulement doit être faible pour éviter une trop grande perte de charge, en sorte que la surface annulaire doit être grande et son rayon moyen doit l'être aussi. Comme indiqué ci-dessus, les dimensions longitudinales doivent également être importantes.
Suivant la présente invention, l'orifice annulaire de grance section et grande longueur des dispositifs connus est remplacé par un orifice annulaire de faible section et de faible longueur, le passage qu'il offre au mélange gazeux étant totalement libre ou partiellement obstrué par des ailettes servant par exemple au centrage des pièces les unes par rapport aux autres.
En effet, on a trouvé expérimentalement qu'un.orifice annulaire équivalent, au point de vue de l'écoulement des fluides, à l'orifice du col du mélangeur, et placé entre celui-ci et le col de la buse d'ex- trémité, arrête les rentrées de flamme On peut en donner la même explication que celle exposée plus haut, en ajoutant que le contact du mélange gazeux avec des parois de grande surface le refroidit et régularise son écoulement, comme cela a été exposé plus haut, ce qui a pour effet de diminuer la tendance à la ren- trée de flamme encore plus efficacement qu'un orifice circulaire.
Par rapport aux orifices annulaires connus, la section annu- laire conforme à l'invention est environ 10 fois moindre, son rayon moyen étant par exemple 5 fois plus petit et sa largeur radiale 2 fois plus petite. On pourrait craindre que cette sec- tion réduite présente l'inconvénient de créer des pertes de charge qui seraient inadmissibles, notamment lorsque l'un des gaz est à basse pression et est aspiré par l'autre, mais ces pertes de charge sont réduites, suivant l'invention, en donnant au canal annulaire une faible longueur, de l'ordre de 2 à 10 fois, de
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préférence 5 fois, sa largeur radiale, des essais ayant montré que cette faible longueur suffit pour assurer l'efficacité du dispositif. Ces chiffres font ressortir les gains en poids et en encombrement obtenus par report aux dispositifs connus.
Dans les dessins annexés, les figures 3 et 4 sont des coupes longitudinales schématiques d'un corps de brûleur avec injecteur au travers duquel l'un des gaz aspire l'autre; la figure 3 est relative au dispositif connu rappelé plus haut et la figure 4 est relative, à titre d'exemple, à la présente invention. La figure 5 est'la coupe longitudinales d'une tête de chalumeau cou- peur donnée également à titre d'exemple de la présente invention, tandis que les figures 6 à 9 sont des coupes transversales faites repectivement suivant les plans ,A-A, B-B, C-C et D-D de la figure 5.
Sur les figures 3 et 4, le repère 1 désigne l'orifice annulaire qui, sur la figure 4, est sensiblement équivalent, au point de vue de l'écoulement des fluides, à l'origine du col 2 du mélangeur et dont la longueur L sur cette figure 4 est environ 5 fois sa largeur radiale e. La flèche F indique le sens normal de passage des gaz.
Sur les figures 5 à 9, le repère 1 désigne le trou d'entrée, de section réduite suivant la première forme d'exécution ci-dessus, du mélange gazeux de chauffe dans la tête du chalumeau coupeur à jet central d'oxygène de coupe, 2 est le passage de seotion annu- laire réduite qui fait l'objet de la seconde forme d'exécution et- qui est placé entre le col du mélangeur, non représenté, se trou- vant à l'anont dé la tête du,chalumeau et le col annulaire 3 de la buse'd'extrémité par lequel le mélange de chauffe sort de la tête du chalumeau.
On remarquera que l'on aurait pu penser à placer la section annulaire réduite conforme à 'ce qui vient d'être dit en d'autres endroits de la tête, par exemple dans les fraisures du repère 4 (figures 5 et 9), ou dans le passage annulaire conique du repère 5 (figure 5); mais à ces endroits, il serait difficile en pratique
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de réaliser avec la précision mécanique indispensable la section réduite de valeur bien déterminée conforme à l'invention et c'est pourquoi on a préféré créer la dite section réduite par mâle le passage entre deux pièces cylindriques, l'unel'autre femelle, ce qui est facilement réalisable au tour et avec précision.
REVENDICATIONS
1 / Perfectionnements aux brûleurs de gaz à mélange préa- lable des gaz, notamment aux chalumeaux soudeurs ou coupeurs comportant une partie à section de passage réduite disposée entre le col du mélangeur et le col de la buse d'extrémité, consistant en ce que cette partie forme un orifice de forme circulaire qui est choisi sensiblement équivalent à l'orifice formé par la partie la plus étroite, dite col du mélangeur, l'entrée de cette partie du côté amont, dans le sens de l'é- coulement normal du mélange gazeux, ayant lieu par un cône con- vergent ou par une arête et sa sortie du côté aval ayant lieu de préférence par une arête.
2 / Variante de 1 / dans laquelle la section de passage réduite est fractionnée sous forme de plusieurs orifices circulaires placés côte à côte dont la section totale est choisie sensiblement équivalente à l'orifice formé par la par- tie la plus étroite, dite col du mélangeur, l'entrée de chacun de ces orifices du côté amont ayant lieu par un cône cunvergent ou par une arête et sa sortie du côté aval ayant lieu de préfé- rence par une arête.
3 / Variante dé 1 / dans laquelle il existe plusieurs parties à section de passage réduite placées les unes à la suite des autres et conformes chacune aux caractéristiques des revendications 1 ou 2.
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