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PROCEDE,ETIDISPOSITIFS-POURSTABIL'I,SER7'LES FLAMMES !DES 'BRULEURS 'A ,MELANGE .PREALABLE.
La présente invention concerne les brûleurs à gaz à mélange préa- lable de gaz combustible et de comburant dits brûleurs à flamme bleue.
Elle a pour objet la stabilisation des flammes pour des vitesses d'écoulement du mélange combustible supérieures à la vitesse de soufflage.
On sait que pour toute tête de brûleur à flamme bleue alimentée d'un mélange combustible de composition et température définies, ce brûleur fonctionnant dans des conditions d'emploi qui déterminent la température de la t'été du. brûleur et l'accès de l'air secondaire aux flammes, il existe une vitesse limite d'écoulement du mélange combustible dans les orifices de la tête de brûleur appelée vitesse. de soufflage. Lorsque la vitesse d'écoule- ment est supérieure à la vitesse de soufflage, la flamme quitte la tête de brûleur.
Pour accroître le débit du brûleur, il faut augmenter les dimen- sions de la tète. Lorsque la vitesse de soufflage est faible et .c'est le cas pour les mélanges combustibles à base de carbures d'hydrogène saturés tels que méthane,propane et butane, l'encombrement de la tête de brûleur est parfois trop important et la concentration de chaleur'trop faible pour certains em- plois.
On a donc cherché à reculer cette limite de fonctionnement du bru- leur à flamme bleue et l'on connaît plusieurs procédés, appliqués principa- lement aux brûleurs utilisant lesgaz de pétrole, qui permettent de stabili- ser la flabme au delà de la vitesse de soufflage correspondant à un brûleur ordinaire. Cette stabilisation peut être obtenue en plaçant à côté de la flam- me principale une flamme à faible vitesse d'écoulement, ou en dirigeant la flamme vers une surface chaude ou en plaçant autour des orifices de la tête de brûleur une paroi de forme appropriée créant un mouvement tourbillonnaire
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d'ensemble des gaz chauds.
Tous ces procédés présentent des inconvénients : réalisation coûteuse, température élevée de la tête de brûleur, ou contre-pression im- portante à la sortie de la tête de brûleur.
Le procédé appliqué dans les brûleurs suivant la présente inven- tion obvie à ces inconvénients, tous les orifices de la tête de brûleur pou- vant être identiques et alimentés à la même pression et le fonctionnement étant assuré sans échauffement anormal de la tête de brûleur.
Dans le brûleur suivant l'invention la stabilisation des flammes est assurée par des tourbillons de gaz à haute température prenant naissan- ce à la périphérie des veines de gaz combustible enflammées immédiatement à la sortie de la tête de brûleur, le volume de gaz intéressé par ce mouvement tourbillonnaire étant suffisamment faible pour que l'échauffement de la tête du brûleur et la résistance à l'écoulement du mélange combustible à travers les orifices de la tête de brûleur soient négligeables.
Le procédé appliqué dans les brûleurs suivant la présente inven- tion est caractérisé en ce que la veine du mélange combustible est divisée on deux ou plusieurs veines partielles dont les axes de sortie sont inclinés les uns par rapport aux autres de façon à accentuer les tourbillons qui ont tendance à se former entre deux veines gazeuses voisines.
L'invention a éga- lement pour objet un dispositif pour la mise en pratique de ce procédé, ca- ractérisé on ce que les orifices de sortie de flamme de la tête de brûleur sont disposés de telle manière que l'axe d'un orifice est incliné par rap- port à un ou plusieurs des axes d'orifices voisins, l'écartement et l'inclinai- son relative de deux orifices voisins a axes inclinés l'un par rapport à 1' autre étant choisis pour que les tourbillons qui prennent naissance entre les deux veines de gaz obliques l'une par rapport à l'autre soient suffisants pour stabiliser la flamme.
De préférence les orifices de sortie de flamme de la tête de brûleur sont disposés sur au moins deux rangées voisines sur toute leur lon- gueur, les axes des orifices de chaque rangée étant situés sur des surfaces sensiblement parallèles les unes aux autres, les axes des orifices d'une même rangée étant inclinés par rapport aux axes des orifices voisins d'une rangée voisine.
Le dessin annexé montre dans les figures 1 - 20 un nombre de brûleurs comme exemples de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre un exemple de réalisation dans lequel les orifices 1,1' de la t'été de brûleur 2 ont une forme rectangulaire; ils sont disposés sur deux rangées parallèles, les axes des orifices de chaque rangée (p.ex.l) sont dans un plan parallèle au plan qui contient les axes des ori- fices de l'autre rangée (p.ex.l'). Les axes des orifices d'une même rangée sont parallèles, tandis que les directions des axes des orifices des deux ran- gées sont obliques les uns par rapport aux autres. Le mélange combustible amené à 3 s'écoule à grande vitesse par ces orifices.
La vitesse moyenne de sortie des gaz est la même pour chaque orifice, mais on constate (fig.2) qu'il se forme immédiatement à la sortie, entre deux orifices voisins 1,1' placés sur des rangées distinctes, des tourbillons 4 qui, en ramenant des ¯gaz brûlés encore à haute température vers la base des flammes, assurent la sta- bilité des flammes pour des vitesses d'écoulement du mélange combustible net- tement plus élevée que celle qui correspond à la limite de soufflage obser- vée pour un brûleur ne comportant qu'une rangée d'orifices ou plusieurs ran- gées d'orifices ayant tous les axes parallèles.
Dans le dispositif représen- té à la fig. 1 la forme rectangulaire des orifices a été indiquée à titre d' exemple, mais de nombreuses autres formes d'orifices permettent d'obtenir le même résultat, l'essentiel étant de choisir convenablement l'inclinaison et l'écartement des orifices. Ces dispositifs peuvent être réalisés en employant les matières et les moyens d'usinage couramment utilisés pour la construction des brûleurs. Les orifices peuvent être notamment obtenus par moulage, per-
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gage, fraisage, matricage, etc.
Un dispositif spécial permet dans certains cas une construction particulièrement économique de brûleurs à flammes autostabilisées. Pour le réaliser on enroule en hélice autour d'une barrette rectangulaire 5 un fil métallique 6 de section circulaire ou prismatique (fig. 3); cet ensemble est ensuite placé entre deux parois 7 et 8 de la tête brûleur 2 comme il est indiqué à la fig. 4. Cette figure montre que le fil métallique 6 réalise un cloisonnement délimitant des orifices disposés de façon analogue à celle qui est représentée (fig. 1). Ce dispositif permet la fabrication économique de têtes de brûleurs de formes quelconques simplement en cintrant la barre-t- te 5 à la forme voulue et en l'introduisant dans un orifice de forme appropriée constitué par des parois 7 et 8 (fig. 5).
Plusieurs dispositif s de ce genre peuvent être juxtaposés. On a représenté fige 6 un brûleur comportant six rangées de sortie de flammes cons- tituées par trois barrettes 9 identiques à celle de la fig. l, séparées par deux barrettes lisses 10.
La figure 7 montre une variante de l'application de ce dispositif qui convient à la réalisation de brûleurs à tête de forme circulaire dont 1' ensemble des flammes a une forme cylindrique. Pour réaliser ce brûleur, on). prépare une bande rectangulaire 5 de faible épaisseur autour de laquelle on enroule un fil en spirale. Contre cette bande est placée une autre bande 11 non garnie de fil. L'ensemble des deux bandes est introduit dans la tête de brûleur 12 qu'il s'agit de cloisonner, La pose est simplifiée en opérant de la façon indiquée à la fig. 8. Une échancrure 13 étant pratiquée dans la pa- roi de la tète de brûleur 12, on enroule les deux bandes autour d'un mandrin 14 placé au centre de la tête de brûleur, jusqu'à ce que la section de la tê- te soit complètement garnie.
On peut alors arrêter les bandes et obturer 1' échancrure. La figure 9 montre un brûleur réalisé dans les mêmes conditions, mais le mandrin a été remplacé par un tube 15, qui permet ainsi de réaliser un brûleur couronne ayant une entrée d'air secondaire centrale à 16.
La figure 10 indique un autre dispositif qui comporte des bandes de métal laminé 17 portant en relief sur un coté des barrettes inclinées 18.
Les figures 11 et 12 représentent des brûleurs de forme circu- laire dont l'ensemble des flammes est disposé soit suivant un plan (fig. 11), soit suivant un cane (fig. 12). Des brûleurs similaires peuvent être cons- truits en enroulant un fil 6 autour de couronnes planes ou coniques 5 comme il est indiqué sur les figures 13 et 14.
La figure 15 donne une idée de la facilité avec laquelle on peut construire des brûleurs industriels de forme et de dimensions variées; le brûleur représenté figure 15 est constitué par deux bandes préparées 5,5' comme il est indiqué à la figure 3 et serrées entre un corps 19 en tôle ou en acier laminé et une cornière 20.
Dans tous les exemples de réalisation décrits jusqu'ici, tous les orifices sont disposés pour que les tourbillons stabilisateurs se produi- sent à la base de chaque flamme. Il est bien entendu possible de limiter 1' autostabilisation à une partie seulement de l'ensemble des orifices, les flammes autostabilisées stabilisant d'autres flammes allumées à la sortie d'orifices quelconques. La figure 16 représente une tête de brûleur compor- tant deux doubles rangées d'orifices 21, 21' pour des flammes autostabilisées placées de part et d'autre d'une flamme allumée à la sortie d'un orifice cons- titué par une simple fente 22. La figure 17 représente un brûleur cylindri- que dans lequel la flamme centrale allumée à la sortie d'un orifice 23 de gros diamètre est stabilisée par une ceinture de flammes autostabilisées.
La figure 18 représente une tète de brûleur cylindrique 12 cou- pée suivant un diamètre par une double rangée de flammes autostabilisées qui stabilise les deux flammes allumées de part et d'autre.
La figure 19 représente un dispositif analogue, mais les flammes
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autostabilisées sont placées au centre du brûleur 12 et forment un pilote cy- lindrique 24.
La figure 20 représente une tête de brûleur 12 à plusieurs ran- gées de flamme disposées en couronnes; une double rangée de flammes auto- stabilisées, à 26, stabilise les flammes allumées à la sortie d'orifices or- dinaires 25 disposés sur plusieurs rangées.
Les têtes de brûleurs décrites ci-dessus ne sont que quelques exemples des possibilités que présente l'application de la présente inven- tion soit à la totalité, soit à une partie des flammes et pour toutes les formes de têtes de brûleurs à flamme bleue.
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PROCESS, ETIDISPOSITIFS-POURSTABIL'I, SER7'LES FLAMES! OF 'BURNERS' A, MIXTURE.
The present invention relates to gas burners with prior mixing of combustible gas and oxidizer, known as blue flame burners.
Its object is the stabilization of the flames for flow speeds of the combustible mixture greater than the blowing speed.
It is known that for any burner head with blue flame supplied with a combustible mixture of defined composition and temperature, this burner operating under conditions of use which determine the temperature of the summer of. burner and secondary air access to the flames, there is a limiting flow rate of the combustible mixture in the orifices of the burner head called the speed. blowing. When the flow speed is greater than the blowing speed, the flame leaves the burner head.
To increase the flow rate of the burner, the dimensions of the head must be increased. When the blowing speed is low and this is the case for fuel mixtures based on saturated hydrogen carbides such as methane, propane and butane, the size of the burner head is sometimes too great and the concentration of too low heat for some jobs.
We have therefore sought to reduce this operating limit of the blue flame burner and several processes are known, applied mainly to burners using petroleum gas, which make it possible to stabilize the flame above the speed of. blowing corresponding to an ordinary burner. This stabilization can be achieved by placing a flame at a low flow rate next to the main flame, or by directing the flame towards a hot surface or by placing a suitably shaped wall around the orifices of the burner head. a whirlwind movement
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set of hot gases.
All of these processes have drawbacks: expensive implementation, high temperature of the burner head, or high back pressure at the outlet of the burner head.
The method applied in the burners according to the present invention obviates these drawbacks, all the orifices of the burner head being able to be identical and supplied at the same pressure and the operation being ensured without abnormal heating of the burner head.
In the burner according to the invention, the stabilization of the flames is ensured by high temperature gas vortices originating at the periphery of the streams of combustible gas ignited immediately at the outlet of the burner head, the volume of gas concerned by this vortex movement being sufficiently low that the heating of the burner head and the resistance to the flow of the combustible mixture through the orifices of the burner head are negligible.
The process applied in the burners according to the present invention is characterized in that the stream of the fuel mixture is divided into two or more partial streams, the outlet axes of which are inclined with respect to each other so as to accentuate the vortices which tend to form between two neighboring gas veins.
Another subject of the invention is a device for carrying out this method, characterized in that the flame outlet orifices of the burner head are arranged so that the axis of an orifice is inclined with respect to one or more of the axes of neighboring orifices, the spacing and the relative inclination of two neighboring orifices with axes inclined with respect to one another being chosen so that the vortices which arise between the two gas streams oblique with respect to each other are sufficient to stabilize the flame.
Preferably, the flame outlet orifices of the burner head are arranged in at least two adjacent rows over their entire length, the axes of the orifices of each row being situated on surfaces substantially parallel to one another, the axes of the orifices in the same row being inclined relative to the axes of the neighboring orifices of a neighboring row.
The accompanying drawing shows in Figures 1-20 a number of burners as exemplary embodiments of the invention.
FIG. 1 shows an exemplary embodiment in which the orifices 1,1 ′ of the burner summer 2 have a rectangular shape; they are arranged in two parallel rows, the axes of the openings of each row (e.g. l) are in a plane parallel to the plane which contains the axes of the openings of the other row (e.g. l ') . The axes of the orifices of the same row are parallel, while the directions of the axes of the orifices of the two rows are oblique with respect to each other. The combustible mixture supplied to 3 flows at high speed through these orifices.
The average gas outlet speed is the same for each orifice, but it can be seen (fig. 2) that it forms immediately at the outlet, between two neighboring orifices 1,1 'placed in separate rows, vortices 4 which , by returning burnt gas still at a high temperature towards the base of the flames, ensure the stability of the flames for flow velocities of the combustible mixture markedly higher than that which corresponds to the blowing limit observed for a burner with only one row of orifices or several rows of orifices with all axes parallel.
In the device shown in FIG. 1 the rectangular shape of the orifices has been given by way of example, but numerous other shapes of orifices make it possible to obtain the same result, the main thing being to suitably choose the inclination and the spacing of the orifices. These devices can be produced by using the materials and the machining means commonly used for the construction of the burners. The orifices can be obtained in particular by molding,
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pledge, milling, stamping, etc.
A special device allows in certain cases a particularly economical construction of self-stabilized flame burners. To achieve this, a metal wire 6 of circular or prismatic section is wound in a helix around a rectangular bar 5 (FIG. 3); this assembly is then placed between two walls 7 and 8 of the burner head 2 as indicated in FIG. 4. This figure shows that the metal wire 6 produces a partition delimiting orifices arranged in a manner similar to that which is shown (FIG. 1). This device allows the economical manufacture of burner heads of any shape simply by bending the head-bar 5 to the desired shape and inserting it into an orifice of suitable shape constituted by walls 7 and 8 (fig. 5). .
Several devices of this kind can be juxtaposed. FIG. 6 shows a burner comprising six flame outlet rows formed by three bars 9 identical to that of FIG. l, separated by two smooth bars 10.
FIG. 7 shows a variant of the application of this device which is suitable for the production of burners with a circular head in which all of the flames have a cylindrical shape. To achieve this burner, we). prepares a rectangular strip 5 of small thickness around which a spiral wire is wound. Against this strip is placed another strip 11 not lined with thread. The assembly of the two bands is introduced into the burner head 12 which has to be partitioned. The installation is simplified by operating as indicated in FIG. 8. A notch 13 being made in the wall of the burner head 12, the two bands are wound around a mandrel 14 placed in the center of the burner head, until the section of the burner head. you are fully furnished.
We can then stop the bands and close the notch. FIG. 9 shows a burner produced under the same conditions, but the mandrel has been replaced by a tube 15, which thus makes it possible to produce a crown burner having a central secondary air inlet at 16.
FIG. 10 indicates another device which comprises strips of rolled metal 17 bearing in relief on one side inclined bars 18.
Figures 11 and 12 show burners of circular shape in which the set of flames is arranged either along a plane (fig. 11) or along a cane (fig. 12). Similar burners can be constructed by winding a wire 6 around flat or conical rings 5 as shown in Figures 13 and 14.
Figure 15 gives an idea of the ease with which one can construct industrial burners of various shapes and sizes; the burner shown in FIG. 15 consists of two strips prepared 5.5 'as indicated in FIG. 3 and clamped between a body 19 made of sheet or rolled steel and an angle 20.
In all of the embodiments described so far, all the orifices are arranged so that the stabilizing vortices occur at the base of each flame. It is of course possible to limit the self-stabilization to only a part of the set of orifices, the self-stabilized flames stabilizing other ignited flames at the outlet of any orifices. FIG. 16 represents a burner head comprising two double rows of orifices 21, 21 'for self-stabilized flames placed on either side of a lighted flame at the outlet of an orifice formed by a single slot 22. Figure 17 shows a cylindrical burner in which the central flame ignited at the outlet of a large diameter orifice 23 is stabilized by a belt of self-stabilized flames.
FIG. 18 shows a cylindrical burner head 12 cut along a diameter by a double row of self-stabilized flames which stabilizes the two ignited flames on either side.
Figure 19 shows a similar device, but the flames
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self-stabilized are placed in the center of the burner 12 and form a cylindrical pilot 24.
FIG. 20 shows a burner head 12 with several rows of flame arranged in rings; a double row of self-stabilized flames, at 26, stabilizes the ignited flames at the outlet of ordinary orifices 25 arranged in several rows.
The burner heads described above are only a few examples of the possibilities of applying the present invention to either all or part of the flames and for all forms of blue flame burner heads.