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La présente invention est relative aux brûleurs et en particulier aux brûleurs du type adapté pour la combustion de com- bustibles liquides ou gazeux en vue de la production de vapeur ou d'eau chaude dans une chaudière.
Elle a principalement pour but de réaliser un brûleur ayant un rendement amélioré et comportant un dispositifnouveau pour le mélange du carburant avec l'air de combustion, permettant d'établir et de maintenir les rapports convenables carburant-air et de réduire sensiblement les pressions du système,ce qui dimi- nue l'importance de la force motrice requise par la soufflerie associée au brûleur et l'intensité du bruit produit par l'ensemble de l'appareil de combustion.
Il est généralement reconnu qu'on ne peut obtenir un haut rendement de combustion que si 'l'air et le combustible des- tinés à la combustion sont complètement et intimement mélangés de façon à former un fluide de combustion sensiblement homogène dans lequel l'air et le combustible sont présents dans dea pro-
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portions optimutu prédéterminées.
Si le mélange air-combustible ntest pas sensiblement homogène,.on ne peut obtenir la combustion régulière et uniforme désirée,et, en particulier quand on emploie un c ombustible gazeux ,un mélange inadéquat de l'air et du gaz produit fréquemment de petites explosions créant des vacations dans la pression de la chambre de combustion, ce qui se traduit par un fonctionnement tout à fait médiocre qui peut dans' certains cas être extrêmement dangereux.
Il est également souhaitable que les brûleurs du type visé par l'invention puissent fonctionner de façon efficace dans des conditions thermiques très variables de telle sorte que des br@- leurs de dimensions données conviennent pour l'installation dans des chaudières de dimensions très différentes et permettent un fonctionnement à haut rendement dans un large intervalle de débits d'air et de combustible pour une installation donnée.
Pour obtenir ce haut rendement et le maintenir dans tout l'intervalle souhaitable des conditions de travail,l'invention prévoit un moyen efficace permettant non seulement de constituer des mélanges convenables d'air et de combustible mais encore de régler les débits de combustible et d'air sans influer de façon néfaste sur le rendement de la combustion.
Dans des essais faits précédemment pour répondre à ces exigences ainsi qu'à d'autres, il a été proposé de faire appel à des dispositifs de guidage d'air placés dans les brûleurs ayant pour effet d'établir des courants d'air primaire et secondaire enveloppant un c ourant de combustible,ce dernier étant envoyé au brûleur sous forme liquide ou gazeuse.Dans l'un des brûleurs de :ce typé. les plus efficaces et donnant les meilleurs résultats, le combustible, sous forme liquide ou gazeuse est introduit dans un flux d'air primaire de combustion dirigé axialement ,de manière à former un mélange combustible riche en combustible qui est en- veloppé par une nappe annulaire d'air secondaire de combustion circulait suivant un parcours hélicoïdal.
Un but particulièrement important de l'invention con--
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siste à réaliser un brûleur conservant les avantages fondamen- taux des biûleurs de ce typo et permettant un rendement de combus- tion amélioré dans un plus large intervalle de conditions de mé- lange air-combustible qu'il notait possible auparavant, et ceci par l'emploi d'un dispositif nouveau pour diriger, déterminer la proportion et régler le débit des courants d'air primaire et se- condaire..
Pour déterminer le rendement total des brûleurs de ce. type on doit considérer les exigences de force motrice du sytème de soufflage et du reste de l'équipement auxiliaire. La façon dont sont construits les brûleurs jusqu'à ce jour reflète la croy- ance universellement répandue qu'on ne peut obtenir de haut rende- ment de combustion qu'en utilisant un équipement persetant de réa- liser une alimentation en air à haute pression et à grande vitesse.
remploi d'un tel équipement, tout en permettant un bon rendement de combustion, présente des inconvénients qui font plus que compen- /la. complexité ser les gains de rendement de combustion Par exemple ,/des pro- blèmes de prix d'achat, d'encombrement et d'entretien se trouve sensiblement augmentée par l'emploi de ventilateurs donnant une grande vitesse et une haute pression. Egalement l'emploi d'un tel équipement élève sensiblement le niveau sonore du bruit dans la chambre à combustion ainsi que dans le ventilateur. Dans de nom;- breux cas, le niveau sonore du bruit développé dans de tels br@- leurs suffit à les rendre inutilisables dans les systèmes de chauf- fage des bâtiments publics comme bibliothèques, écoles et bureaux de faible importance.
En conséquence un autre but important de l'invention con- siste à réaliser des brûleurs perfectionnés capables de maintenir des niveaux élevés de rendement de combustion dans tout un large domaine de conditions de fonctionnement malgré l'emploi d'un équi- pement de soufflage d'air de dimensions réduites envoyant de l'air à des pressions peu élevées considérées jusqu'à présent comme in- compatibles avec un rendement élevé de combustion..
Elle vise aussi un nouveau dispositif de guidage de l'air
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et du combustible qui a pour effet de diriger les éléments de la combustion de façon telle que l'air aspire le combustible et permet une réduction de la pression d'alimentation de ce dernier..
@ Par ailleurs elle vise à réaliser des brûleurs de cons- truction simplifiée susceptibles d'être fabriqués et entretenus pour un prix sensiblement réduit.
Elle a en outre pour but la réalisation de brûleurs perfectionnés présentant de plus grandes possibilités d'utilisa- tion et susceptibles d'être transformés par la simple manoeuvre des vannes de commande du combustible, en vue de brûler soit un combustible gazeux, soit un combustible liquide, ou réglés de fa- çon permanente pour brûler uniquement un liquide, par substitution d'une pièce unique.
La description qui va suivre permettra de mieux comprendre les différents buts, caractéristiques et avantages de l'invention, en se référant en particulier au dessin annexé, donné uniquement à titre d' exemple , dans lequel :
Fig. 1 représente en coupe verticale, avec certaines parties en élévation, un brûleur suivant l'invention,adapté pour- brûler un combustible liquide ou gazeux ; - Fig.2 représente en élévation l'extrémité du brûleur re- présenté sur la. fig.I certaines pièces étant arrachées' pour la clarté de la figure ;- - est une- vue en coupe verticale transversale suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1 ;- - Fig.4 représente en coupe verticale partielle une va- riante de l'invention.
Le brûleur suivant l'invention,représenté à la fig. 1, est adapté pour brûler un combustible liquide ou gazeux.Le combus- tible,sous l'une ou l'autre forme,passe dans le sens axial du brûleur et grâce au nouveau dispositif de guidage décrit en dé- tail ci-après ,le courant de combustible est enveloppé d'un courant d'air primaire dans lequel est produite la turbulence par la com- binaison d'un courant d'air s'écoulent axialement ,en deux points sé-
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parés par une certaine distance , avec des courants d'air dirigés radialement.
Le mélange air-combustible ainsi produit est injecté dans une chambre de combustion et est entouré d'un cuurant d'air secon- daire animé d'un mouvement hélicoïdal, de manière à terminer com- plètement la combustion. Quand on utilise un combustible liquide, il est atomisé et projeté dans le courant d'air primaire, dans la chambre de combustion.
'Dans le cas ou l'on emploie un combustible gazeux,, il est mêlé' intimement avec l'air primaire dans une chambre de prémélange avant son introduction dans la chambre de combustion, Dans un mode préféré de réalisation de l'invention il est prévu un dispositif'nouveau de guidage (le l'air qui a pour effet de diviser l'air envoyé au brûleur en quatre courants séparés dont trois,
sont ensuite combinés d'une manière nouvelle pour former le courant d'air primaire*Le courant d'air restant est injecté séparé- ment dans la chambre de combustion sous forme d'air secondaire.L' invention prévoit également l'emploi d'un nouveau moyen destiné à règles d*une manière nouvelle les proportions dans le courant d' air total des différents courants d'air distincts et à contrôler le courant d'air total sans altérer les caractéristiques ou la dis- tribution des différents courants d'air.
Dans ce brûleur un carter formant une chambre d'air princi- pale 10 est Fixé à l'extrémité d'une chambre à feu 12 ou chambre de combustion d'une chaudière,par exemple au moyen de boulons 14.
La chambre d'air 10 présente en coupe une forme sensiblement cy- lindrique,comme on le voit sur la fig.2,et comporte un orifice d' arrivée d'air ouvert vers le bas 16 et un orifice de sortie 18 dis- posé axialement dans son extrémité adjacente à la chambre de com- bustion comme on le voit sur la fig.l. L'orifice 18 est coaxial avec une paroi tronconique 20 du revêtement réfractaire de la cham- bre de combustion et avec la périphérie de forme générale cylindri- que de la chambre d'air 10.
Comme il apparaît le mieux sur la figure 2 ' la surface intérieure de la paroi 22 de l'orifice 16 est tangentielle à la surface cylindrique 23 de la chambre 10, l'es-
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pace compris entre la paroi 22 et le bord 24 de la paroi cylin- drique interrompue de la chambre 10 définissant la plus grande ou- verture possible de l'admission 16.
L'orifice démission 16 est relié par une conduite d' air flexible adéquate 26 à la sortie d'une soufflerie (non repré- sentée) d'une façon usuelle. Dans cet ensemble, le courant d'air entrant dans l'appareil est introduit sous pression à une vitesse sensiblement constante dans la chambre 10 par l'admission 16,for- mant une couche ou pellicule mobile d'air en mouvement au contact de la paroi 22 d'une épaisseur radiale égale à la distance compri- se entre la paroi 22 et le bord 24. Ce cuurant d'air entrant dans la chambre 10 tangentiellement à la paroi cylindrique 23 suit un parcours de forme générale circulaire autour de la paroi 23' comme l'indique la flèche 29 sur la fig.3.
Il est prévu des moyens pour régler le volume d'air ad- mis dans l'appareil, par modification de l'épaisseur du courant d'air d'admission passant le long de la paroi 22, sans perturber l'écoulement tangentiel du courant d'ai@ entrant dans la chambre.
Un papillon ou volet susceptible d'être réglé de manière à modi- fier la dimension de l'ouverture en 24 est représenté par un or- gane en forme de plaque 30 ayant une surface extérieure 32 et une surface intérieure 34 convenablement incurvée ou profilée comme on le voit sur le dessin, en vue de produire une turbulence minimum dans le courant d'air passant dans l'admission 16. La plaque 30 est fixée de façon convenable à des bras oscillants 36 et 38 fixés à leur tour à un arbre 40 qui tourillonne dans les parois 42 et 43 de l'admission 16 comme on le voit sur la fig.l .On peut prévoir une tringlerie de commande quelconque permettant de régler positi- vement la position de l'arbre 40.
Une telle tringlerie est ac- tionnée par un organe de commande de papillon (non représenté) réglant également la quantité de combustible introduite dans le brûleur d'une manière classique . Par -l'effet de ce dispositif à papillon, la quantité d'air introduite dans la chambre 10 peut être modifiée suivant la charge imposée au brûleur, sans modifier sen-
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siblement la vitesse d'entrés de l'air dans la chambre 10 au droit du papillon ou volet.
La vitesse d'entrée do l'air est réglée à en- viron 20 mitres par seconde (une tolérance de + 10% à - 15 % pou- vant être admise) . Du fait que l'organe do commande de la plaque
30 ne fait pas, en soi, partie intégrante de l'invention, il n'a pas été représenté et ne sera pas décrit.
Comme l'arbre 40 est parallèle à la paroi 22, ainui qu'on le voit sur la fig.2, le volet 30 peut être basculé vers la paroi
22 de manière à réduire l'ouverture de l'admission 16. Des butées convenables sont prévues, pour limiter le déplacement du volet 30, un épaulement 44 solidaire de la paroi de l'orifice d'admission dé- finissent la position d'ouverture maximum de ce volet tandisqu'une butée d'arrêt réglable 45. limite la tenture du volet.
Du fait que le volet 30 se déplace en direction de la paroi 22, l'épaisseur du courant d'air et partant la quantité d'air admis peuvent être rédui- tes sans perturber l'écoulement tangentiel du courant d'air d'ad- mission, tout en maintenant la vitesse d'entrée de l'air approxima- tivement constante. @tant donné que la pression d'air à l'intérieur de la chambre le ¯ est plus grande que celle qui règne à l'intérieur de la chambre de combustion 12 par suite du tirage du four et de lotion de la soufflerie, le courant d'air, pénétrant dans la cham- bre 10 et circulant circulairement autour de sa paroi intérim forme sensiblement une hélice qui se dirige vers la sortie 18.
Montés sur la chambre 10 @e trouvent un dispositif d'al- lumage 46 actionné par un transformateur 47, un regard 48 et une calIule de contrôle du combustible au sulfure de plomb 49 qui sont tous de type classique.
La chambre 10 est pourue sur son coté éloigné de la chambre de combustion d'une ouverture circulaire 50 dans laquelle s" adapte un épaulement annulaire 52 d'un -raccord 54 poux le passage d'air at de gaz, ce xaccord étant fixé à la chambre 10 Par plusieurs boulons 56. L"air passe de la chambre 10 dans le raccord 54 par un passage 58 dans lequel est agencé un volet de réglage 59, et ar-
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rive dans une buse à air 60 venue de moulage avec le raccord.. On re- marquera que la buse 60 est coaxiale avec l'ouverture d'air secon- daire 18 ménagée à l'extrémité opposée de la chambre principale 10.
Il y a une conduite d'admission 62 ouverte vers le bas et également solidaire du raccord 54, destinée au combustible gazeux et agencée de façon à être reliée à une source convenable quelconque de com- bustible non représentée. A son extrémité supérieure l'admission 62' est agrandie de manière à former un espace annulaire 64 entou- rant la buse 60..
Cet espace 64 est en communication avec l'intérieur de la chambre 10 par une ouverture circulaire 66 ménagée dans la paroi 68 du raccord 54' au centre de l'ouverture 50 formée dans la paroi de la chambre 10.. couverture 66 est co-axiale avec la buse 60 et avec 1* orifice 18. Un tube mélangeur cylindrique 70 est monté à la presse ou fixé d'une autre manière convenable sur une pièce com- portant un rebord annulaire, attachée à la paroi 68 du raccord 54 au moyen de plusieurs boulons 74, de façon à disposer la surface intérieure du tube 70 sensiblement en coïncidence avec l'ouverture 66.. Le tube 70 est pourvu de rangées de lumières espacées 75 et 76 destinées à un usage qui apparaîtra dans la suite.
le tube 70 s'étend à partir de la paroi 68 et traverse coaxialement la charnue 10 jusqu'en un point situé au droit de la sortie 18.. Fixé à l'ex- trémité opposée du tube 70,par exemple au moyen de boulons 77, se trouve un anneau de guidage d'air 78 pourvu d'une surface annu- laire extérieure 80 formant avec l'ouverture 18 une buse d'air secondaire 82, annulaire , la surface intérieure annulaire 84 de l'anneau 78 formant l'ouverture de sortie d'air primaire 86..
L'injecteur de combustible liquide indiqué dans son en- semble par 90 est fixé dans une position coaxiale au tube 70 au moyen de boulons 92 qui pénètrent dans une monture ou dispositif 94 pour l'admission de combustible liquide et de fluide atomiseur 94, monté au moyen de boulons 96 sur la cloison postérieure 98 du rac- cord 54. l'injecteur 90 et la monture 94 ne font pas partie de l'in-
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vention et ne seront pas décrits en détail.
Le dispositif 94 comporte des orifices 100 et 102 adaptés pour être reliés,par des conduites non représentées,respectivement, à une source de fluide atomiseur sous pression,tel que air au va. peur, et à une source de combustible liquide tel que le fuel. L'o- rifice 102 est en communication avec un tube central 104 destiné au combustible, qui traverse toute la longueur de l'injecteur 90 et se termine à son extrémité opposée en une tête mélangeuse ou ato- miseuse 106.. L'orifice d'admission d'air 100 est en communication avec l'intérieur d'un tube 108 pour la circulation de l'air, qui forme un passage annulaire autour du tube 104 et se termine égale- ment à son extrémité opposée dans la tête 106.
L'injecteur 90 est agencé de façon à injecter le combustible liquide dans la chambre
12 sous la forme d'un fin brouillard de manière à produire une flamme courte et concentrée. Ceci permet une combustion satisfai- sante et évite la projection de combustible sur les surfaces de transfert du combustible ou la matière réfractaire du revêtement du four, et assure une combustion complète du combustible dans une chambre de combustion d'une longueur relativement réduite.
La description qui va suivre se rapportera maintenant à un nouveau dispositif'de guidage d'air permettant d'obtenir de l'in- vention de nombreux avantages. A l'opposé de l'ouverture 16 et très près de la cloison postérieure de la chambre 10 se trouve un diffuseur annulaire indiqué dans son ensemble par la référence 110..
Le diffuseur comporte une série annulaire d'aubes de guidage d'air
112 espacées et disposées longitudinalement, qui sont soudées-ou fixées d'une autre manière convenable, à leurs extrémités opposées à des supports annulaires en tôle métallique 114 et 116. Des bou- lons 118 traversent un anneau de renforcement 120 et se vissent dans une collerette 122 fixée en position sur le tube 70 au moyen de vis 124. de telle sorte que le diffuseur 110 se trouve fixé de façon ri- gide sur le tube 70. L'extrémité de petit diamètre d'un cane 126 est montée sur un épaulement 128 de 11 anneau 78 et l'extrémité de grand diamètre de ce cône est soudée ou fixée d'une autre manière
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convenable à la surface extérieure de l'anneau 116.
Le cone 126 forme un espace d'air femmé autour du tube 70, guide le courant d' air secondaire vers l'ouverture d'air secondaire 82 et donne de la rigidité à l'ensemble.
Comme il a été signalé précédemment, l'entrée d'air est dis- posée tangentiellement par rapport à la ohambre 10 et, en consé- quence, l'air introduit circule en spirale dans la chambre 10 dans le sens des aiguilles d'une montre, comme on le voit sur la fig.3.
Une partie de cet air est interceptée par les aubes fixes 112 et est alors dirigée radialement vers l'intérieur vers le tube de pré- mélange 70. Une partie de l'air pénétrant vers l'intérieur par les aubes 112 est dirigée de façon à traverser la série des premières lumières de mélange d'air primaire 75 qui ont un bord disposé sensi- blement au droit du support annulaire 114. Le reste de l'air, pas-. sant par les aubes 112,pénètre dans le tube 70 par la seconde sé- rie de lumières d'air primaire 76 près de la sortie 86 . On remar- que que la division de l'air s'écoulant vers l'intérieur par le dif- fuseur 110 dépend; des surfaces relatives totales des lumières 75 et 76.
Dans une installation particulière avec chaudière de cent che- vaux-vapeur la surface totale des lumières 75 est environ égale au cinquième de la surface totale des lumières 76. Les courants d'air pénétrant radialement vers l'intérieur par les lumières 75 et 76, se mélangent avec turbulence avec le courant d'air primaire prin- cipal passant de la chambre 10 par le passage 58 dans le raccord 54' et dirigé axialement dans le tube 70 par la buse 60.
La partie de l'air envoyée dans la chambre 10 qui ne passe pas dans le dif- fuseur 110 ou par la buse 60 passe dans l'a chambre de combustion par l'intermédiaire de la buse d'air secondaire 82 sous forme d' un courant d'air secondaire en forme d' hélice . Le volet de réglage 59 est monté dans le passage 58, en vue de régler la fraction de l'air qui est envoyée à la buse 60 aux lumières 75 et 76. et à la buse 82.
le volet 59 comporte une plaque 142 rigidement fixée au moyen de vis 146 sur une tige 148 qui tourillonne à ses extrémi- tés opposées dans des alésages convenables 150 formés dans les pa-
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rois du raccord 54. La tige 148 p@ut @tro munie d'un boulon main- tenu en place par un écrou 152.
Le volai; 142 pout et@@ verrouillé dans la position de réglage où il est placé par serrage de l'écrou
152 et le réglage de la position du volet peut être effectue en desserrant l'écrou 152 et en faisant tourner le boulon 148 à la main.Un indicateur de position est serré entra la toto du boulon et l'un des eûtes du raccord' 54 qui porte des indication convena- bles de position placées en 156.
Si l'on utilise un combustible gazeux, il peut être intro- duit dans le système par Couverture d'admission 62 sous une pres- sion réduite du fait de l'effet d'aspiration produit par la buse d'air primaire 60. Le mélange air-gaz formé dans la zone qui se trouve au voisinage de la buse 60 avance par le tube 70 et rencontre d'abord les courants radiaux qui s'écoulent par la première série de lumières auxiliaires d'air primaire 75. On doit remarquer que du fait que les deux courants d'air en ce point s'écoulent perpen- diculairement l'un par rapport à l'autre à des vitesses et sous des pression différentes, il se produit une turbulence considérable qui assure un mélange poussé.
Cette action se poursuit à mesure que le mélange @'avance dans -le tube 70 et il se produit une nouvel- le turbulence avec un nouvel effet de mélange lorsque le courant d'air et de gaz rencontre les courants radiaux qui s'écoulent par la seconde série de lumières 76. Par suite du mélange turbulent effectué dans le tube 70, un mélange sensiblement homogène d'air et de combustible est injecté' par l'orifice primaire 86 dans la chambre de combustion 12. Le mélange homogène riche en combustible ainsi injecté cet combiné avec l'enveloppe d'air secondaire sortant par la buse 82 et s'écoulant en hélice ,en sorte que la combustion s' amorce et se poursuit avec un rendement encore jamais connu.
La demanderesse a découvert que par suite du fait que le courant principal d'air primaire par la buse 60 se fait dans .le sens axial du brûleur on peut obtenir .un bon rendement de combustion et le complet mélange nécessaire en utilisant des pressions d'air sensiblement réduites. Par exemple, dans un bruleur suivant l'in-
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vention destiné à l'emploi avec une chaudière de 100 chevaux va- peur la pression dans la chambre 10 peut être maintenue à un ni- veau inférieur de 2,5 7,5 centimètres d'eau à la pression de 19 centimètres d'eau maintenue dans les meilleurs modèles de brûleurs connus de puissance comparable.
Etant donné que le niveau sonore du bruit développé par le brûleur et les exigences de force mo- tricot de la soufflerie sont directement proportionnels à la pres- sion régnant dans la chambre d*air ,on enregistre dans les condi- tions de l'invention une sensible réduction des dimensions de la soufflerie et de l'intensité du- bruit produit par le brûleur. Ces avantages inattendus qui ne sont pas obtenus au détriment du ren- dement de combustion, réduisent sensiblement le prix d'achat et les frais d'entretien de l'appareil et permettent son installation dans des conditions ou l'intensité du bruit des appareils de ce genre utilisés précédemment interdisait leur emploi.
Comme il a été dit précédemment, l'appareil représenté sur la fig. 1 est susceptible d'Être facilement transformé de fa- çon à brûler un fluide liquide. Pour réaliser cette transforma- tion, il suffit de fermer les vannes usuelles qui commandent la conduite d'alimentation de gaz 62 et d'cuvrir les vannes qui com- mandent les conduites en communication avec les orifices 100 et 102 ménagés dans le dispositif 94. Bien qu'il ne se produise pas de mélange d'air et de combustible en amont de la buse 106 quand' on emploie un combustible liquide, la turbulence créée dans le courant d'air primaire à l'intérieur du tube 70 facilite cependant grandement le mélange et la combustion du brouillard de combustible injecté dans la chambre de combustion par la buse 106.
On bénéfi- cie de tous les autres avantages attachés à la réduction de .la pression d'air dans la chambre d'air lorsque l'appareil fonctionne comme brûleur de combustible liquide.
Dans le cas où on ne dispose pas d'alimentation en combus- tible gazeane ou lorsqu'il est souhaitable pour toute autre raison de ne faire fonctionner l'appareil qu'avec un combustible liquide
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on peut substituer au raccord 54 pour air et gaz un autre rac-
EMI13.1
de z record cord 160. Cette variante 160'"renfoM)e le même système de volet de réglage 59 et une buse 162 dont la configuration inférieure est identique à celle de la buse 60. La différence essentielle entre les deux raccords réside dans l'élimination dans le rac- cord 160 de l'admission 62 de combustible gazeux, incorporée dans le raccord' 54.
Bien entendu ,l'invention ne se limite en aucune manière aux modes de réalisation représentés et décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.