EP2249968B1 - Appareil et procede pour faire varier les proprietes d'un jet multiphasique - Google Patents

Appareil et procede pour faire varier les proprietes d'un jet multiphasique Download PDF

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EP2249968B1
EP2249968B1 EP09704348.3A EP09704348A EP2249968B1 EP 2249968 B1 EP2249968 B1 EP 2249968B1 EP 09704348 A EP09704348 A EP 09704348A EP 2249968 B1 EP2249968 B1 EP 2249968B1
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EP
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jet
opening
main
nozzle
phase
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EP09704348.3A
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EP2249968A1 (fr
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Bernard Labegorre
Thierry Poinsot
Nicolas Guezennec
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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Filing date
Publication date
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    • F23D11/12—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour characterised by the shape or arrangement of the outlets from the nozzle
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
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    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11001—Impinging-jet injectors or jet impinging on a surface

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for varying the properties of a multiphase jet without interrupting said jet and their applications.
  • the invention relates more particularly to an apparatus and a method for varying the direction and / or the opening of a multiphasic jet, said apparatus also making it possible, in the case of a multiphase jet containing a dispersion of liquid particles, to vary the particle size of the liquid particles.
  • liquids or solids sprayed or powder in the form of gaseous jets containing a dispersion of said liquids and / or solids, hereinafter referred to as: multiphase jets.
  • two-phase jets with variable orientation are produced by means of a sprayer whose orientation is varied or by means of a sprayer having at least one injection nozzle whose orientation is varied.
  • mechanical systems for varying the orientation of a two-phase jet have problems of reliability and durability, especially in hostile environments such as combustion furnaces and cryogenic installations.
  • EP 0904 842 and EP-A-0545357 describes such an atomizer for directing the direction of a two-phase jet resulting from the atomization of a liquid or powdery atomizable material by an annular jet of atomizing gas.
  • a fluidic control gas is injected into the annular jet upstream of the atomization zone, so as to force the passage of the atomizing gas in a portion of the flow section opposite to the injection of the fluidic control gas and thus to generate an asymmetric two-phase jet whose axis is inclined with respect to the axis of the annular jet.
  • This technology makes it possible to modify the inclination of the diphasic jet around the axis of the injector 0 at 20 °.
  • This technology however has the major disadvantage of non-homogeneous spraying of the atomizable material in the deviated jet, the sputtering being particularly defective on the injection point side of the fluidic control gas.
  • a burner having a burner block, said burner block being provided with a central fuel conduit surrounded by a plurality of primary oxidant conduits, themselves surrounded by a plurality of secondary oxidant conduits, the fuel which may be an atomized liquid fuel in a portion of the oxidant or a crushed solid fuel entrained by a portion of the oxidant.
  • the fuel which may be an atomized liquid fuel in a portion of the oxidant or a crushed solid fuel entrained by a portion of the oxidant.
  • this burner is relatively heavy because the fuel pipe, the plurality of primary oxidant conduits, as well as the plurality of oxidant conduits secondary are made in a burner block that overlooks the furnace combustion chamber.
  • the burner blocks are generally constructed of refractory materials more or less difficult to manufacture, particularly in the case of systems with small dimensions.
  • the object of the present invention is to provide a robust and optimized apparatus allowing a great variation in the direction and / or the opening of a multiphase jet without having to interrupt the jet.
  • multiphasic jet is understood to mean a liquid dispersion in gas, a solid dispersion in gas, or a liquid and solid dispersion in gas developing in a preferred direction of space.
  • two-phase jet is meant a liquid dispersion in gas or a solid dispersion in gas developing in a preferred direction of space.
  • opening of a jet means, for a jet emerging from a pipe, is the angle of the axis of symmetry of the jet or the flame at the outlet of the pipe and the generator at the surface of the jet . In practice, this angle often corresponds to the angle between the longitudinal axis of symmetry of the pipe and the generatrix on the surface of the jet.
  • the orientation or direction of a jet is defined as being a vector normal to the fluid passage section and oriented in the direction of flow, that is, from upstream to downstream.
  • the present invention more particularly relates to an apparatus for injecting a multiphase jet with direction and / or variable opening (s).
  • the apparatus comprises a sprayer, also called atomizer, having a main opening for injecting a multiphase jet with a controlled or controlled pulse.
  • the main opening has a section Sp and is located in a main plane.
  • the direction of the multiphase jet from the main aperture is called the main direction.
  • the apparatus also includes a nozzle, also called mouthpiece or mouth-piece in English, in which opens the main opening of the sprayer.
  • This nozzle has an exit opening for the multiphasic jet, this exit opening being located in an exit plane and opposite (in the main direction) of the main opening, so that the multiphase jet from the main opening (also called “jet”) main ”) passes through the nozzle before exiting the nozzle through the outlet opening.
  • the apparatus also includes at least one passageway having a secondary opening for injection into the nozzle of a gaseous actuator jet with a controlled or controlled pulse.
  • the at least one passage is positioned so that the actuator jet from the corresponding secondary opening impinges the multiphase jet I inside the nozzle.
  • the direction of the actuator jet leaving the secondary opening is called the secondary direction.
  • This secondary direction forms an angle ⁇ with the plane perpendicular to the main direction, the angle ⁇ being less than 90 ° and greater than or equal to 0 °, preferably 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 80 °, more preferably 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °, the effect of the actuator jet being the most pronounced when ⁇ is substantially equal to 0 °, that is to say when the secondary direction of the jet actuator is in a plane perpendicular to the main direction of the jet multiphase output from the main opening of the sprayer.
  • ⁇ is not equal to 0 °
  • the direction of the corresponding actuator jet has a component in the main direction going in the direction of the main opening towards the outlet opening.
  • the apparatus makes it possible to vary the direction and / or the opening of the multiphase jet emerging from the exit opening by virtue of the interaction, and more particularly the impact, between the multiphase jet from the sprayer and one or more actuator jets, without having to interrupt the multiphase jet and without having to resort to mechanical actuators, such as pivots.
  • the secondary opening or openings have their central point or center of inertia located at a distance L1 from the main plane in which the main opening of the sprayer is located and at a distance L2 from the exit plane in which the outlet opening is located. of the nozzle.
  • L1, L2 are preferably less than or equal to ten times the square root of the section Ss of the secondary opening.
  • the central point or center of inertia of a secondary opening corresponds to the intersection between the secondary opening and the axis of the actuator jet leaving said secondary opening (corresponding actuator jet) or the intersection between this outlet opening. and the axis of the corresponding passage (i.e. the passage having this secondary opening) at this secondary opening.
  • the secondary opening has the shape of a circle, its central point is the center of the circle.
  • the distances L1 and L2 are measured parallel to the main direction.
  • the nozzle is preferably metal.
  • the nozzle may be manufactured / machined integrally with the sprayer.
  • the nozzle is more conveniently manufactured / machined separately and then mounted on the sprayer as described above.
  • the nozzle may more particularly be in the form of a pellet or tip mounted on the end of the sprayer including its main opening.
  • the internal section of the nozzle at the secondary opening (s) is perpendicular to the main direction and greater than or equal to the section Sp of the main opening of the sprayer.
  • the sprayer may be a gas-assisted sprayer.
  • the sprayer typically comprises a central pipe for supplying liquid or powder spray and an annular pipe surrounding the central pipe for the supply of atomizing gas.
  • a multiphase jet is produced by driving the liquid or powder from the central pipe by the jet of atomization gas from the annular pipe.
  • the sprayer can be a mechanical sprayer.
  • the sprayer typically comprises a central pipe for the liquid feed in which the fluid pressure is converted into energy kinetic.
  • the high velocity of the liquid jet at the outlet of the spray section will cause surrounding gas in sufficient quantity to generate a two-phase jet.
  • the size of the main section of a mechanical sprayer is typically an order of magnitude smaller than that of an assisted sprayer for the same flow of fluid to be atomized.
  • the sprayer may be an emulsion sprayer.
  • the sprayer typically comprises a central pipe opening at the main plane for the injection of a liquid dispersion in gas or solid sprayed in gas.
  • the multiphase jet is generated inside the sprayer by suitable contacting of a liquid flow and a gas flow.
  • the size of the main section of an emulsion sprayer is typically of the same order of magnitude as that of an assisted sprayer for the same flow of liquid to be atomized.
  • the sprayer can be mixed combining the concepts of assisted and emulsion sprayers.
  • the ratio between the square root of the section of the main opening and the square root of the section of the secondary opening is greater than or equal to 0.25 and less than or equal to 10.0 (0.25 ⁇ ⁇ Sp / ⁇ Ss ⁇ 10.0), preferably greater than or equal to 1 and less than or equal to 10.
  • the ratio of the square root of the main opening section to the square root of the secondary section is greater than or equal to 1 and less than or equal to 10, preferably greater than or equal to 3 and less than or equal to 7.
  • the sprayer is mechanical, the same ratio is preferably greater than or equal to 0.25 and less than or equal to 4.
  • the apparatus comprises at least one passage such that the secondary direction of the actuator jet issuing from the corresponding secondary opening is secant or quasi-secant with the main direction of the main jet from the main opening.
  • the impact between this actuator jet and the main jet coming from the main opening will make it possible to obtain a multiphasic jet at the outlet of the outlet opening (of the nozzle) which is deviated from the main direction of the multiphasic jet at the exit of the main opening (from sprayer), the multiphase jet from the outlet opening being more particularly deflected in the opposite direction to the secondary opening of the actuator jet.
  • An actuator jet from an exit opening to the left of the main direction will thus give a multiphasic jet to the exit of the opening so deviated to the right with respect to the main direction.
  • a single actuator jet whose secondary direction is secant or quasi-secant with the main direction and allows to vary the direction of the multiphase jet in a direction (monodirectional effect).
  • a multi-directional effect (variation of the direction of the multiphase jet in several directions) can be obtained with several actuator jets whose secondary direction is secant or quasi-secant with the main direction.
  • the apparatus comprises at least two passages such that the secondary directions of the actuator jets coming from the corresponding secondary openings are intersecting or quasi-intersecting with the main direction of the main jet coming from the main opening, said secondary openings being preferably located in the same plane perpendicular to the main direction, or, in other words, at the same distance L1 of the main plane in which the main opening of the sprayer is located.
  • the plane defined by the direction of one of the two secondary openings and the main direction does not coincide with the plane defined by the other direction of the two secondary openings and the main direction, it is possible to deflect the jet multiphasic in these two planes, or even in an intermediate plane in both planes, if we inject the two actuator jets simultaneously.
  • the plane defined by one of the two secondary openings and the main direction will be perpendicular to the plane defined by the other of the two secondary openings and the main direction.
  • the apparatus may in particular comprise four passages positioned in such a way that the secondary directions of the actuator jets coming from the corresponding secondary openings are intersecting or quasi-intersecting with the main direction, two of these corresponding secondary openings defining a first plane with the main direction and being located on either side of this main direction, the two other corresponding secondary openings defining a second plane with the main direction and being also located on either side of this main direction, the first plane being preferably perpendicular to the second plane and the four corresponding secondary openings are preferably located in the same plane perpendicular to the main direction (at the same distance L1 of the main plane in which the main opening of the sprayer is located).
  • the apparatus comprises at least one passage such that the secondary direction of the actuator jet from the corresponding secondary opening is not substantially coplanar with the main direction of the main jet from the main opening.
  • the interaction or the impact in the nozzle between the actuator jet and the multiphasic jet leads to a multiphasic jet coming from the outlet opening whose opening is greater than the multiphase jet opening obtained in the absence of the actuator jet.
  • the apparatus according to the invention may comprise at least two passages oriented in such a way that the secondary directions of the actuator jets coming from the corresponding secondary openings are not in effect.
  • substances coplanar with the main direction of the main jet from the main opening and the secondary jets from the corresponding secondary openings are oriented in the same direction of rotation around the main direction.
  • These corresponding secondary openings are advantageously located in the same plane perpendicular to the main direction (at the same distance L1 from the main plane in which the main opening of the sprayer is located). They can be located on either side of the main direction. They can also be located as the plane defined by the main direction and one of the two corresponding secondary openings is perpendicular to the plane defined by the main direction and the other of the two corresponding secondary openings.
  • An apparatus which is particularly effective for varying the aperture of a multiphasic jet is obtained when the apparatus comprises three or four secondary openings around the main direction.
  • Such an apparatus may in particular comprise three or four passages positioned in such a way that the three or four corresponding secondary openings lie in the same plane perpendicular to the main direction and that the secondary directions of the actuator jets coming from the corresponding secondary openings are not in the same direction. substance coplanar with the main direction, the three or four actuator jets from the corresponding secondary openings being oriented in the same direction of orientation around the main direction.
  • the present invention also relates to the use of an apparatus according to the invention for varying the orientation and / or the opening of a multiphase jet.
  • each actuator jet forms an angle ⁇ with the plane perpendicular to the main direction, this angle ⁇ being less than 90 ° and greater than or equal to 0 °, preferably 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 80 ° and more preferably 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °, the effect of the actuator jet on the multiphasic jet being the most pronounced when the angle ⁇ is substantially equal to 0 ° (jet actuator substantially perpendicular to the main direction).
  • the orientation and / or the opening of the multiphasic jet leaving the outlet opening of the nozzle is varied by a variation of the regulated pulse of at least one actuator jet.
  • the method according to the invention makes it possible to modify the orientation of a multiphasic jet by injecting at least one actuator jet into the nozzle in a secondary orientation which is secant or quasi-intersecting with the main direction of the nozzle. multiphase jet from the main opening.
  • the opening of the multiphasic jet emerging from the outlet opening of the nozzle is varied by a variation of the regulated pulse of the at least one actuator jet whose secondary direction is secant or quasi-secant with the main direction.
  • the deviation of the multiphase jet with respect to the main direction in the secondary direction increases with the pulse of the actuator jet (with respect to the pulse of the multiphase jet from the main opening).
  • the direction of the multiphase jet coming from the outlet opening of the nozzle will be substantially identical to the main direction (direction of the multiphasic jet from the opening main sprayer).
  • the physical parameter that controls the deviation of the multiphasic jet will be the ratio of the pulses of the actuator jet (s) and the two-phase jet generated by the atomizer.
  • This parameter can in practice be used to control or adjust the orientation of the multiphase jet from the outlet opening by means of a control installation which adjusts the pulses, and more particularly the flow rates, of the atomizing gas and the actuator jet or jets.
  • the method according to the invention makes it possible to modify the opening of a multiphase jet by injecting at least one actuator jet into the nozzle, the secondary direction of which is not substantially coplanar with the main direction of the nozzle. main jet from the main opening.
  • the opening of the multiphase jet from the outlet opening increases with the pulse of the actuator jet.
  • the physical parameter that controls the deviation of the multiphase jet will generally be the ratio of the pulses of the actuator jet (s) and the two-phase jet generated by the atomizer.
  • This parameter can in practice be used for controlling or adjusting the opening of the multiphase jet from the outlet opening by means of a control installation which adjusts the pulses, and more particularly the flow rates, of the gas. atomization and the actuator jet or jets.
  • the pulse of an actuator jet is usually varied by regulating the flow rate of said actuator jet.
  • the apparatus When it is desired that the chemical composition and in particular the gas content of the multiphase jet coming from the outlet opening does not change when it varies its orientation and / or opening, it is possible to provide the apparatus with a global regulated gas supply and a gas intake for taking a fraction of said global gas supply to one or more passages for the injection of one or more actuator jets.
  • the pulse of an actuating jet is varied by a variation of the fraction of the overall feed diverted to the corresponding passage.
  • Such an embodiment of the apparatus and the method may in particular be of interest in the case where the multiphase jet contains a mixture of fuel and oxidant.
  • the multiphasic jet may be a two-phase jet, and more particularly a two-phase liquid / gas jet or a two-phase solid / gas jet.
  • the multiphase jet contains a dispersion of liquid nitrogen.
  • the multiphase jet comprises a dispersion of a liquid fuel and / or a solid fuel.
  • the multiphase jet is a dispersion in a gaseous oxidizer.
  • this oxidant can be air.
  • this oxidant may, in certain cases, also have an oxygen content of at least 40% by volume, preferably of at least 50% by volume and more preferably of at least 90% vol.
  • the process according to the invention makes it possible to modify the volume occupied by the dispersion and the speed of the particles.
  • the invention also makes it possible to modify the size distribution of the liquid particles.
  • the invention makes it possible in particular to vary the orientation of the multiphase jet linearly with the control parameter: the ratio of the pulse of the multiphase jet injected into the nozzle and the pulse of the injected actuator jet.
  • the invention uses gaseous jets, so-called actuator jets to control the direction (orientation) and / or the opening of a multiphase jet produced by a sprayer, often called atomizer in the case of a multiphase jet liquid / gas.
  • the figure 1 shows a device according to the invention comprising a gas-assisted atomizer type 11 and a nozzle 15.
  • the atomizer 11 comprises a central pipe 12 for supplying the liquid to be sprayed and an annular pipe 13 surrounding the central pipe 12 for the supply of atomizing gas.
  • the central pipe 12 and the annular pipe 13 open into the main opening 14 of the atomizer 11.
  • a liquid jet is injected in the center of the main opening 14 and is surrounded in this main opening of a gaseous annular spray jet.
  • the kinetic energy of the high-speed annular jet makes it possible to atomize the liquid jet so as to obtain, downstream from the main opening 14, a two-phase liquid / gas jet in a main direction XX, the liquid / gas dispersion appearing at the exit of the atomizer.
  • the typical dimension of the liquid drops in the diphasic jet is of the order of a few tens of micrometers.
  • the apparatus comprises passages 16 for the injection of gaseous actuator jets.
  • the secondary openings 17 corresponding to said passages 16 are located in the nozzle 15 downstream of the main opening 13 of the atomizer 11. These secondary openings 17 are located in a plane perpendicular to the main axis XX of the two-phase jet (plane respectively Figures 1b and 1c ).
  • the figure 1b shows a radial arrangement of the actuator jets, that is to say, in this figure the passages 16 and the secondary openings 17 are positioned in such a way that the actuator jets coming from the secondary openings 17 have a secondary direction (designated by arrows) which are intersecting with the principal direction XX of the two-phase jet.
  • This embodiment of the invention makes it possible to vary the direction of the multiphase jet leaving the outlet opening 18 of the nozzle 15.
  • the figure 1c shows a tangential arrangement of the actuator jets from the secondary openings 17.
  • the passages 16 and the secondary openings 17 are positioned so that the secondary directions (designated by straight arrows) share streams from the secondary openings 17 are not coplanar with the main direction XX, but are all oriented in the same direction of rotation (designated not the two curved arrows) around the main direction.
  • one or more shareholding jets impact the multiphase jet inside the nozzle, it results in an enlargement of the opening of the two-phase jet coming from the outlet opening 18.
  • the distances L1 and L2 measured parallel to the main direction XX between the central point of the secondary opening 17 and respectively the plane of the main opening 13 and the plane of the outlet opening 18 are between 1 and 10 times the square root of the section of the secondary opening 17.
  • the square root of the section of the secondary opening 17 corresponds to the actuator jet cross-section at this secondary opening.
  • the square root of the section of the secondary opening 17 / of the actuator jet section at the outlet of this secondary opening 17 is hereinafter called the characteristic dimension d of the actuator jet.
  • the characteristic dimension of the actuator jets determines, for a given fluid flow in the corresponding passage 16, the pulse of the actuator jets.
  • the number of secondary jets acting on a multiphase jet will typically be limited to four, since a larger number of secondary jets would not significantly improve the performance of the apparatus and process, but would lead to difficulties in achieving and at higher manufacturing costs.
  • the position of the actuators in a zone close to the main opening 13 and the outlet opening 18 limits, for reasons of space, their number.
  • the apparatus for varying the orientation of a multiphasic jet (Examples 1 to 3) is essentially as illustrated in FIGS. Figures 1a and 1b , a single actuator jet having a secant secondary direction with the main direction being injected into the nozzle.
  • the apparatus for varying the aperture of a multiphase jet (Examples 4 to 6) is essentially as illustrated in FIGS. figures 1 a and 1c, with injection of four actuator jets.
  • z is the distance downstream of the outlet opening of the apparatus (measured along the main direction) at which the alpha ( ⁇ ) or widening (LL o ) / L o deviation are measured.
  • the operating parameter of the apparatus and the process according to the invention is in the examples (with characteristic dimensions of the constant actuator jets) the ratio of the gas flow rates which pass respectively in the passage or passages as actuator jets and in the annular jet. atomization.
  • the deflection of the multiphasic jet is defined as the angle between the direction of the multiphase jet leaving the outlet opening 18 of the nozzle and the main direction X-X of the multiphase jet emerging from the main opening of the atomizer.
  • This angle can be measured from the envelope of the multiphase jet at the exit of the shadow control chamber (see figure 2 ).
  • the figure 2 shows a medium and processed image of a two-phase jet or "spray" of water generated by an air-assisted type atomizer subjected to the action of an actuator jet by means of the apparatus for varying the orientation of the multiphase jet.
  • the injection conditions for this example are: water flow of the order of 6 g / s, gas flow of the annular spray jet of the order of 1.3 g / s, and gas flow in the actuator 0.7 g / s.
  • the deflection angle of the diphasic jet observed is about 30 °.
  • the maximum value obtained for this first configuration is greater than that obtained according to known non-mechanical systems, for example EP-A- 0545357.
  • the secondary opening of the actuator jet is in this case less remote from the main opening (lower value of H).
  • the opening of the multiphase jet coming from the exit opening is defined from the envelope of the two-phase jet, this envelope is determined as mentioned above.
  • a jet expansion ratio is determined as the relative variation of the width of the two-phase jet at a given distance downstream of the injector.
  • SW2 As shown in figure 6 for the actuators in tangential position, the dimension d1 of the passage, and therefore, at d2 constant, also the dimension d of the passage do not substantially modify the effect of the control.
  • the actuator jets can modify as we have just shown the direction of a two-phase jet or its opening, they also allow to change the particle size, that is to say the size distribution of the drops.
  • the average size is measured using a Malvern optical technique (scattering of light by the particles).
  • the figure 7 shows the evolution of the average Sauter diameter (D32) for four actuator jets in a tangential arrangement.
  • D32 average Sauter diameter

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Description

  • La présente invention concerne un appareil et un procédé pour faire varier les propriétés d'un jet multiphasique sans interruption dudit jet et leurs applications. L'invention concerne plus particulièrement un appareil et un procédé permettant de faire varier la direction et/ou l'ouverture d'un jet multiphasique, ledit appareil permettant également, dans le cas d'un jet multiphasique contenant une dispersion de particules liquides, de faire varier la granulométrie des particules liquides.
    • Contexte de l'invention
  • De nombreuses applications ou procédés industriels utilisent des liquides ou de solides pulvérisés ou pulvérulents sous la forme de jets gazeux contenant une dispersion desdites liquides et/ou solides, appelés ci-après : jets multiphasiques.
  • C'est le cas par exemple des procédés ou technologies de combustion qui utilisent des combustibles liquides ou solides finement dispersés, ou bien encore de procédés de congélations utilisant des jets d'azote liquide pulvérisés pour refroidir les aliments. Dans les deux cas les caractéristiques des jets multiphasiques déterminent les performances du procédé (telles que : longueur de flamme et transfert de chaleur dans un cas, vitesse et homogénéité du refroidissement dans l'autre).
  • Il serait souvent utile de pouvoir modifier la direction et/ou l'ouverture, et en particulier la direction et/ou l'ouverture, d'un jet multiphasique dans l'enceinte où le procédé se déroule sans avoir à interrompre le procédé. Par exemple il serait utile de pouvoir incliner un jet résultant de l'atomisation d'un combustible liquide comme le fioul lourd ou de l'injection de charbon pulvérisé de manière à pouvoir en fonctionnement temporairement orienter la flamme vers la charge lorsque l'on souhaite augmenter son transfert de chaleur à cette dernière ou de pouvoir changer l'orientation du jet résultant pour éviter des points chauds.
  • Plusieurs solutions ont été proposées pour modifier l'orientation d'un jet multiphasique.
  • Conventionnellement, on réalise des jets diphasiques à orientation variable au moyen d'un pulvérisateur dont on varie l'orientation ou encore au moyen d'un pulvérisateur ayant au moins une buse d'injection dont on varie l'orientation. Toutefois, les systèmes mécaniques pour faire varier l'orientation d'un jet diphasique présentent des problèmes de fiabilité et de durabilité, notamment dans des environnements hostiles tels que les fours de combustion et les installations cryogéniques.
  • Des systèmes dits non-mécaniques pour faire varier la direction d'un jet diphasique ont également été proposés.
  • EP 0904 842 et EP-A-0545357 décrit un tel atomiseur permettant d'orienter la direction d'un jet diphasique résultant de l'atomisation d'une matière atomisable liquide ou pulvérulente par un jet annulaire de gaz d'atomisation. Selon EP-A-0545357 , un gaz de contrôle fluidique est injecté dans le jet annulaire en amont de la zone d'atomisation, de manière à forcer le passage du gaz d'atomisation dans une partie de la section débitante opposée à l'injection du gaz de contrôle fluidique et ainsi à générer un jet diphasique asymétrique dont l'axe est incliné par rapport à l'axe du jet annulaire. Cette technologie permet de modifier l'inclinaison du jet diphasique autour de l'axe de l'injecteur 0 à 20°. Cette technologie présente toutefois l'inconvénient majeur d'une pulvérisation non-homogène de la matière atomisable dans le jet résultant dévié, la pulvérisation étant notamment défectueuse du côté du point d'injection du gaz de contrôle fluidique.
  • Il est également connu de WO-A-9744618 un brûleur comportant un bloc de brûleur, ledit bloc de brûleur étant muni d'un conduit central de combustible entouré d'une pluralité de conduits d'oxydant primaire, eux-mêmes entourés d'une pluralité de conduits d'oxydant secondaire, le combustible pouvant être un combustible liquide atomisé dans une partie de l'oxydant ou encore un combustible solide broyé entraîné par une partie de l'oxydant. Par prélèvement d'une partie plus ou moins importante de l'oxydant primaire sur l'oxydant secondaire, il s'ensuit une variation de la position et la forme de la flamme. La déflexion maximale de la flamme est limitée à environ 15° de la position médiane à la position extrême (30° au plus, au total). De plus, la construction de ce brûleur est relativement lourde car le conduit de combustible, la pluralité des conduits d'oxydant primaire, ainsi que la pluralité des conduits d'oxydant secondaire sont réalisés dans un bloc de brûleur qui donne sur la chambre de combustion du four. Les blocs de brûleur sont généralement construits de matériaux réfractaires plus ou moins difficiles à fabriquer, en particulier dans le cas de systèmes à faibles dimensions.
    • Objet de l'invention
  • La présente invention a pour objet de fournir un appareil robuste et optimisé permettant une grande variation de la direction et/ou de l'ouverture d'un jet multiphasique sans avoir à interrompre le jet.
    • Description de l'invention
  • Dans le présent contexte, on comprend par « jet multiphasique » une dispersion liquide dans gaz, une dispersion solide dans gaz, ou encore une dispersion liquide et solide dans gaz se développant dans une direction privilégiée de l'espace. On comprend par « jet diphasique » une dispersion liquide dans gaz ou une dispersion solide dans gaz se développant dans une direction privilégiée de l'espace.
  • Le terme « ouverture » d'un jet désigne, pour un jet débouchant d'une canalisation, est l'angle de l'axe de symétrie du jet ou de la flamme à la sortie de la canalisation et la génératrice à la surface du jet. En pratique, cet angle correspond souvent à l'angle entre l'axe de symétrie longitudinal de la canalisation et la génératrice à la surface du jet.
  • On définit l'orientation ou direction d'un jet comme étant un vecteur 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.
  • La présente invention concerne plus particulièrement un appareil pour l'injection d'un jet multiphasique à direction et/ou l'ouverture variable(s). Suivant l'invention, l'appareil comporte un pulvérisateur, également appelé atomiseur, ayant une ouverture principale pour l'injection d'un jet multiphasique avec une impulsion régulée ou contrôlée. L'ouverture principale présente une section Sp et est située dans un plan principal. La direction du jet multiphasique issu de l'ouverture principale est appelée la direction principale.
  • L'appareil comprend également un ajutage, également appelé embouchure ou « mouth-piece » en anglais, dans laquelle débouche l'ouverture principale du pulvérisateur. Cet ajutage présente une ouverture de sortie pour le jet multiphasique, cette ouverture de sortie étant située dans un plan de sortie et à l'opposé (dans la direction principale) de l'ouverture principale, de manière à ce que le jet multiphasique issu de l'ouverture principale (également appelé « jet principal ») traverse l'ajutage avant de sortir de l'ajutage par l'ouverture de sortie.
  • L'appareil comprend aussi au moins un passage ayant une ouverture secondaire pour l'injection à l'intérieur de l'ajutage d'un jet actionneur gazeux avec une impulsion régulée ou contrôlée. Le au moins un passage est positionné de manière à ce que le jet actionneur issu de l'ouverture secondaire correspondante impacte le jet multiphasique I à l'intérieur de l'ajutage.
  • La direction du jet actionneur sortant de l'ouverture secondaire est appelée la direction secondaire. Cette direction secondaire forme un angle θ avec le plan perpendiculaire à la direction principale, l'angle θ étant inférieur à 90° et supérieur ou égal à 0°, de préférence 0° ≤ θ ≤ 80°, plus de préférence 0° ≤ θ ≤ 30°, l'effet du jet actionneur étant le plus prononcé quand θ est en substance égal à 0°, c'est-à-dire quand la direction secondaire du jet actionneur se situe dans un plan perpendiculaire à la direction principale du jet multiphasique sortant de l'ouverture principale du pulvérisateur. Quand θ n'est pas égal à 0°, la direction du jet actionneur correspondant présente une composante selon la direction principale allant dans le sens de l'ouverture principale vers l'ouverture de sortie.
  • Comme il sera exposé plus en détail ci-après, l'appareil permet de faire varier la direction et/ou l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie grâce à l'interaction, et plus particulièrement l'impact, entre le jet multiphasique issu du pulvérisateur et un ou plusieurs jets actionneurs, sans avoir à interrompre le jet multiphasique et sans avoir à faire appel à des actionneurs mécaniques, tels que des pivots.
  • Il est connu des « Proceedings of FEDSM'02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of July 14-18, 2002 » et de l'article « Experimental 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. 24 d'utiliser une configuration spécifique de quatre jets secondaires autour d'un jet monophasique gazeux pour stabiliser une flamme grâce à l'interaction entre les jets secondaires et le jet primaire. Un angle d'ouverture de sortie plus large est constaté.
  • La ou les ouvertures secondaires ont leur point central ou centre d'inertie situé à une distance L1 du plan principal dans lequel est située l'ouverture principale du pulvérisateur et à une distance L2 du plan de sortie dans lequel est située l'ouverture de sortie de l'ajutage. L1, L2 sont de préférence inférieures ou égales à dix fois la racine carrée de la section Ss de l'ouverture secondaire. Le point central ou centre d'inertie d'une ouverture secondaire correspond à l'intersection entre l'ouverture secondaire et l'axe du jet actionneur sortant de ladite ouverture secondaire (jet actionneur correspondant) ou encore l'intersection entre cette ouverture de sortie et l'axe du passage correspondant (c'est-à-dire le passage ayant cette ouverture secondaire) au niveau de cette ouverture secondaire. Quand l'ouverture secondaire a la forme d'un cercle, son point central est le centre du cercle. Les distances L1 et L2 sont mesurés parallèlement à la direction principale.
  • L'ajutage est de préférence en métal.
  • L'ajutage peut être fabriqué/usiné intégralement avec le pulvérisateur. L'ajutage est de manière plus pratique fabriqué/usiné séparément et ensuite monté sur le pulvérisateur comme décrit ci-dessus. L'ajutage peut plus particulièrement avoir la forme d'une pastille ou d'un embout monté(e) sur l'extrémité du pulvérisateur comprenant son ouverture principale.
  • Typiquement, la section interne de l'ajutage au niveau de la ou des ouvertures secondaires est perpendiculaire à la direction principale et supérieure ou égale à la section Sp de l'ouverture principale du pulvérisateur.
  • Le pulvérisateur peut être un pulvérisateur de type gaz-assisté. Dans ce cas, le pulvérisateur comprend typiquement une canalisation centrale pour l'alimentation en liquide ou poudre à pulvériser et une canalisation annulaire entourant la canalisation centrale pour l'alimentation en gaz d'atomisation. A l'ouverture de sortie du pulvérisateur, un jet multiphasique est réalisé par l'entraînement du liquide ou poudre issu de la canalisation centrale par le jet de gaz d'atomisation issu de la canalisation annulaire.
  • Le pulvérisateur peut être un pulvérisateur mécanique. Dans ce cas, le pulvérisateur comprend typiquement une canalisation centrale pour l'alimentation liquide dans laquelle la pression du fluide est convertie en énergie cinétique. La grande vitesse du jet liquide en sortie de la section pulvérisateur va entraîner du gaz environnant en quantité suffisante pour générer un jet diphasique. La dimension de la section principale d'un pulvérisateur mécanique est typiquement d'un ordre de grandeur plus faible que celle d'un pulvérisateur assisté pour le même débit de fluide à atomiser.
  • Le pulvérisateur peut être un pulvérisateur à émulsion. Dans ce cas le pulvérisateur comprend typiquement une canalisation centrale débouchant au niveau du plan principal pour l'injection d'une dispersion liquide dans gaz ou solide pulvérisé dans gaz. Le jet multiphasique est généré à l'intérieur du pulvérisateur par une mise en contact adaptée d'un écoulement liquide et d'un écoulement gazeux. La dimension de la section principale d'un pulvérisateur à émulsion est typiquement du même ordre de grandeur que celle d'un pulvérisateur assisté pour le même débit de liquide à atomiser.
  • Le pulvérisateur peut être mixte combinant les concepts de pulvérisateurs assisté et à émulsion.
  • De manière avantageuse, le rapport entre la racine carrée de la section de l'ouverture principale et la racine carrée de la section de l'ouverture secondaire est supérieur ou égal à 0,25 et inférieur ou égal à 10,0 (0,25 ≤ √Sp/√Ss ≤ 10,0), de préférence supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 10.
  • Quand le pulvérisateur est un pulvérisateur de type gaz-assisté, de type à émulsion ou de type mixte, le rapport entre la racine carrée de la section de l'ouverture principale et la racine carrée de la section secondaire est supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 10, de préférence supérieur ou égale à 3 et inférieur ou égal à 7. Quand le pulvérisateur est mécanique ce même rapport est de préférence supérieur ou égal à 0.25 et inférieur ou égal à 4.
  • Selon une forme de réalisation de l'appareil suivant l'invention permettant plus particulièrement d'injecter un jet multiphasique à orientation variable, l'appareil comprend au moins un passage tel que la direction secondaire du jet actionneur issu de l'ouverture secondaire correspondante est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale. Dans ce cas, l'impact entre ce jet actionneur et le jet principal issu de l'ouverture principale permettra d'obtenir un jet multiphasique à la sortie de l'ouverture de sortie (de l'ajutage) qui est dévié par rapport à la direction principale du jet multiphasique à la sortie de l'ouverture principale (du pulvérisateur), le jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie étant plus particulièrement dévié dans le sens opposé à l'ouverture secondaire du jet actionneur. Un jet actionneur issu d'une ouverture de sortie à gauche de la direction principale donnera ainsi un jet multiphasique à la sortie de l'ouverture de sorte dévié vers la droite par rapport à la direction principale.
  • Un seul jet actionneur dont la direction secondaire est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale permet ainsi de faire varier la direction du jet multiphasique dans une direction (effet monodirectionnel).
  • Un effet pluridirectionnel (variation de la direction du jet multiphasique dans plusieurs directions) peut être obtenu avec plusieurs jets actionneurs dont la direction secondaire est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale.
  • Suivant un mode de mise en oeuvre, l'appareil comprend au moins deux passages tels que les directions secondaires des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes sont sécantes ou quasi-sécantes avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale, lesdites ouvertures secondaires étant de préférence situées dans un même plan perpendiculaire à la direction principale, ou, en d'autres mots, à une même distance L1 du plan principal dans lequel se situe l'ouverture principale du pulvérisateur.
  • Quand ces deux ouvertures secondaires correspondantes sont situées de part et autre de l'axe du jet primaire, il est possible de dévier le jet multiphasique à la sortie de l'ouverture de sortie dans deux sens opposés par rapport à la direction principale, par exemple : déviation à gauche avec un jet actionneur venant d'une ouverture secondaire située à droite de la direction principale et déviation à droite avec un jet actionneur venant d'une ouverture secondaire située à gauche de la direction principale.
  • Quand par contre, le plan défini par la direction de l'une des deux ouvertures secondaires et la direction principale ne coïncide pas avec le plan défini par l'autre direction des deux ouvertures secondaires et la direction principale, il est possible de dévier le jet multiphasique selon ces deux plans, voire selon un plan intermédiaire aux deux plans, si on injecte les deux jets actionneurs simultanément. De préférence, le plan défini par l'une des deux ouvertures secondaires et la direction principale sera perpendiculaire au plan défini par l'autre des deux ouvertures secondaires et la direction principale.
  • Une très grande variation de la direction du jet multiphasique sorti de l'ouverture de sortie par rapport à la direction principale peut être réalisée avec quatre ouvertures secondaires autours de la direction principale. Dans ce cas, l'appareil peut notamment comprendre quatre passages positionnés de telle manière que les directions secondaires des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes sont sécantes ou quasi-sécantes avec la direction principale, deux de ces ouvertures secondaires correspondantes définissant un premier plan avec la direction principale et étant situées de part et d'autre de cette direction principale, les deux autres ouvertures secondaires correspondantes définissant un deuxième plan avec la direction principale et étant également situées de part et d'autre de cette direction principale, le premier plan étant de préférence perpendiculaire au deuxième plan et les quatre ouvertures secondaires correspondantes étant de préférence situées dans un même plan perpendiculaire à la direction principale (à une même distance L1 du plan principal dans lequel se situe l'ouverture principale du pulvérisateur).
  • Selon une forme de réalisation de l'appareil suivant l'invention permettant d'injecter un jet multiphasique à ouverture variable, l'appareil comprend au moins un passage tel que la direction secondaire du jet actionneur issu de l'ouverture secondaire correspondante n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale. Dans ce cas, l'interaction ou l'impact dans l'ajutage entre le jet actionneur et le jet multiphasique conduit à un jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie dont l'ouverture est plus grande que l'ouverture de jet multiphasique obtenue en l'absence du jet actionneur.
  • Cet effet d'élargissement de l'ouverture du jet multiphasique final est renforcé quand on utilise plusieurs jets actionneurs dont la direction secondaire n'est pas coplanaire avec la direction principale et qui sont orientés selon un même sens de rotation autour de la direction principale.
  • Ainsi, l'appareil suivant l'invention peut comporter au moins deux passages orientés de manière à ce que les directions secondaires des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes ne sont pas en substances coplanaires avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale et que les jets secondaires issus des ouvertures secondaires correspondantes sont orientés selon un même sens de rotation autour de la direction principale. Ces ouvertures secondaires correspondantes se trouvent avantageusement dans un même plan perpendiculaire à la direction principale (à une même distance L1 du plan principal dans lequel se situe l'ouverture principale du pulvérisateur). Elles peuvent être situées de part et autre de la direction principale. Elles peuvent également être situées tel que le plan défini par la direction principale et l'une des deux ouvertures secondaires correspondantes est perpendiculaire au plan défini par la direction principale et l'autre des deux ouvertures secondaires correspondantes.
  • Un appareil qui est particulièrement effectif pour faire varier l'ouverture d'un jet multiphasique est obtenu quand l'appareil comprend trois ou quatre ouvertures secondaires autours de la direction principale. Un tel appareil peut notamment comprendre trois ou quatre passages positionnés de telle manière que les trois ou quatre ouvertures secondaires correspondantes se situent dans un même plan perpendiculaire à la direction principale et que les directions secondaires des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes ne sont pas en substance coplanaires avec la direction principale, les trois ou quatre jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes étant orientés selon un même sens d'orientation autour de la direction principale.
  • La présente invention concerne également l'utilisation d'un appareil selon l'invention pour faire varier l'orientation et/ou l'ouverture d'un jet multiphasique.
  • Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un procédé pour modifier l'orientation et/ou l'ouverture d'un jet multiphasique au moyen d'un appareil selon l'une des formes de réalisation décrites ci-dessus et dans lequel :
    • le jet multiphasique est injecté dans l'ajutage à travers l'ouverture principale du pulvérisateur, ledit jet multiphasique étant injecté selon une direction principale et avec une impulsion régulée,
    • au moins un jet actionneur est injecté dans l'ajutage à travers l'ouverture secondaire d'un passage, chaque jet actionneur étant injecté avec une impulsion régulée et selon une direction secondaire telle que le jet secondaire impacte le jet multiphasique à l'intérieur de l'ajutage.
  • La direction secondaire de chaque jet actionneur forme un angle θ avec le plan perpendiculaire à la direction principale, cet angle θ étant inférieur à 90° et supérieur ou égal à 0°, de préférence 0° ≤ θ ≤ 80° et plus de préférence 0° ≤ θ ≤ 30°, l'effet du jet actionneur sur le jet multiphasique étant le plus prononcé quand l'angle θ est en substance égale à 0° (jet actionneur en substance perpendiculaire à la direction principale).
  • Selon le procédé suivant l'invention, on varie l'orientation et/ou l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie de l'ajutage par une variation de l'impulsion régulée d'au moins un jet actionneur.
  • Comme mentionné ci-dessus, le procédé suivant l'invention permet de modifier l'orientation d'un jet multiphasique en injectant au moins un jet actionneur dans l'ajutage selon une orientation secondaire qui est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale du jet multiphasique issu de l'ouverture principale. On varie l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie de l'ajutage par une variation de l'impulsion régulée du au moins un jet actionneur dont la direction secondaire est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale.
  • La déviation du jet multiphasique par rapport à la direction principale dans la direction secondaire augmente avec l'impulsion du jet actionneur (par rapport à l'impulsion du jet multiphasique issu de l'ouverture principale). En l'absence de jet actionneur (impulsion du jet actionneur = 0), la direction du jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie de l'ajutage sera en substance identique à la direction principale (direction du jet multiphasique issu de l'ouverture principale du pulvérisateur).
  • Différentes formes de réalisation (nombres de jets actionneurs, position des ouvertures secondaires correspondantes, etc.) du procédé suivant l'invention pour faire varier l'orientation d'un jet multiphasique ont déjà été décrites ci-dessus en rapport avec l'appareil correspondant.
  • En général, le paramètre physique qui contrôle la déviation du jet multiphasique sera le rapport des impulsions du ou des jets actionneur et du jet diphasique généré par l'atomiseur. Ce paramètre peut en pratique être utilisé pour le contrôle ou réglage de l'orientation du jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie au moyen d'une installation de contrôle qui règle les impulsions, et en général plus particulièrement les débits, du gaz d'atomisation et du ou des jets actionneurs.
  • Comme mentionné ci-dessus, le procédé suivant l'invention permet de modifier l'ouverture d'un jet multiphasique en injectant au moins un jet actionneur dans l'ajutage dont la direction secondaire n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale. Dans ce cas, on peut varier l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie de l'ajutage par une variation de l'impulsion régulée du au moins un jet actionneur dont la direction secondaire n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale.
  • L'ouverture du jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie augmente avec l'impulsion du jet actionneur.
  • Comme déjà mentionné ci-dessus, une augmentation plus prononcée de l'ouverture du jet multiphasique final peut être obtenue en injectant plusieurs jets actionneurs dans l'ajutage dont la direction secondaire n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale quand ces jets actionneurs sont orientés selon un même sens de rotation autour de la direction principale.
  • Différentes formes de réalisation (nombres de jets actionneurs, position des ouvertures secondaires correspondantes, etc.) du procédé suivant l'invention pour faire varier l'ouverture d'un jet multiphasique ont déjà été décrites ci-dessus en rapport avec l'appareil correspondant.
  • Le paramètre physique qui contrôle la déviation du jet multiphasique sera en général le rapport des impulsions du ou des jets actionneurs et du jet diphasique généré par l'atomiseur. Ce paramètre peut en pratique être utilisé pour le contrôle ou réglage de l'ouverture du jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie au moyen d'une installation de contrôle qui règle les impulsions, et en général plus particulièrement les débits, du gaz d'atomisation et du ou des jets actionneurs.
  • En pratique, on fait le plus souvent varier l'impulsion d'un jet actionneur par une régulation du débit dudit jet actionneur.
  • Quand il est souhaité que la composition chimique et en particulier la teneur en gaz du jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie ne change pas quand on varie son orientation et/ou ouverture, il est possible de munir l'appareil d'une alimentation globale régulée en gaz et d'une prise de gaz pour le prélèvement d'une fraction de ladite alimentation globale en gaz vers un ou plusieurs passages pour l'injection d'un ou plusieurs jets actionneurs. Dans ce cas, on fait varier l'impulsion d'un jet actionneur par une variation de la fraction de l'alimentation globale déviée vers le passage correspondant. Une telle forme de réalisation de l'appareil et du procédé peut en particulier être intéressante dans le cas ou le jet multiphasique contient un mélange de carburant et comburant.
  • Le jet multiphasique peut être un jet diphasique, et plus particulièrement un jet diphasique liquide/gaz ou un jet diphasique solide/gaz.
  • Suivant une application utile de l'invention, le jet multiphasique contient une dispersion d'azote liquide.
  • Suivant une autre application utile de l'invention, le jet multiphasique comprend une dispersion d'un combustible liquide et/ou d'un combustible solide. Dans ce cas, il est souvent avantageux quand le jet multiphasique est une dispersion dans un comburant gazeux. Quand le jet multiphasique contient un comburant gazeux, ce comburant peut être de l'air.
  • Toutefois, quand la phase gazeuse du jet multiphasique est un comburant, ce comburant peut, dans certains cas, également avoir une teneur en oxygène d'au moins 40%vol, de préférence d'au moins 50%vol et encore de préférence d'au moins 90%vol.
  • Le procédé suivant l'invention permet de modifier le volume occupé par la dispersion et la vitesse des particules. Dans le cas d'une dispersion liquide, l'invention permet également de modifier la distribution de taille des particules liquides.
  • L'invention permet notamment de faire varier l'orientation du jet multiphasique linéairement avec le paramètre de contrôle : le rapport de l'impulsion du jet multiphasique injecté dans l'ajutage et l'impulsion du jet actionneur injecté.
  • La possibilité de faire varier l'orientation ou l'ouverture d'un jet multiphasique en l'absence de mouvement mécanique de l'appareil d'injection ou de la buse dudit appareil est un avantage considérable car dans les environnements industriels où l'intégrité de tels mécanismes est difficile à maintenir au cours du temps en raison des conditions souvent hostiles telles que des températures très basses ou très élevées et/ou du niveau de poussière ou matières corrosives élevés.
    • Exemples
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures 1 à 7.
    • les figures 1a, b et c représentant schématiquement deux formes de réalisation d'un appareil suivant l'invention, la figure 1a représentant une section longitudinale de l'appareil et la figure 1b représentant une section transversale de l'ajutage pour faire varier l'orientation d'un jet multiphasique et la figure 1c représentant une section transversale de l'ajutage pour faire varier l'ouverture d'un jet multiphasique.
    • la figure 2 représentant une visualisation d'un jet diphasique dévié au moyen d'un appareil suivant l'invention,
    • les figures 3 et 4 montrant l'impact du rapport entre le débit du jet actionneur et le débit du jet de gaz d'atomisation sur la déviation du jet multiphasique à la sortie de l'appareil,
    • les figures 5 et 6 montrant l'impact du rapport entre le débit du jet actionneur et le débit du jet de gaz d'atomisation sur le taux d'élargissement du jet multiphasique à la sortie de l'appareil,
    • la figure 7 montrant l'impact du rapport entre le débit du jet actionneur et le débit du jet de gaz d'atomisation sur la taille moyenne des particules liquides dans le jet multiphasique.
  • L'invention utilise des jets gazeux, dits jets actionneurs pour contrôler la direction (orientation) et/ou l'ouverture d'un jet multiphasique produit par un pulvérisateur, souvent appelé atomiseur dans le cas d'un jet multiphasique liquide/gaz.
  • La figure 1 montre un appareil suivant l'invention comportant un atomiseur de type gaz-assisté 11 et un ajutage 15.
  • L'atomiseur 11 comprend une canalisation centrale 12 pour l'alimentation du liquide à pulvériser et une canalisation annulaire 13 entourant la canalisation centrale 12 pour l'alimentation en gaz d'atomisation. La canalisation centrale 12 et la canalisation annulaire 13 débouchent dans l'ouverture principale 14 de l'atomiseur 11. De cette manière un jet liquide est injecté au centre de l'ouverture principale 14 et est entouré dans cette ouverture principale d'un jet annulaire gazeux d'atomisation. L'énergie cinétique du jet annulaire à grande vitesse permet d'atomiser le jet liquide de manière à obtenir en aval de l'ouverture principale 14 un jet diphasique liquide/gaz selon une direction principale X-X, la dispersion liquide/gaz apparaissant dès la sortie de l'atomiseur.
  • La dimension typique des gouttes liquides dans le jet diphasique est de l'ordre de quelques dizaines de micromètres.
  • Conformément à l'invention, l'appareil comprend des passages 16 pour l'injection de jets actionneurs gazeux. Les ouvertures secondaires 17 correspondants audits passages 16 sont situées dans l'ajutage 15 en aval de l'ouverture principale 13 de l'atomiseur 11. Ces ouvertures secondaires 17 sont situées dans un plan perpendiculaire à l'axe principale X-X du jet diphasique (plan respectivement des figures 1b et 1c).
  • Deux dispositions différentes des passages et des ouvertures secondaires correspondantes sont illustrées pour une configuration à quatre jets actionneurs.
  • La figure 1b montre une disposition radiale des jets actionneurs, c'est-à-dire, dans cette figure les passages 16 et les ouvertures secondaires 17 sont positionnés de manière à ce que les jets actionneurs issus des ouvertures secondaires 17 ont une direction secondaire (désignée par des flèches) qui sont sécantes avec la direction principale X-X du jet diphasique. Cette forme de réalisation de l'invention permet de varier la direction du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie 18 de l'ajutage 15.
  • La figure 1c montre une disposition tangentielle des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires 17. Dans cette figure, les passages 16 et les ouvertures secondaires 17 sont positionnés de manière à ce que les directions secondaires (désignées par des flèches droites) des jets actionnaires issus des ouvertures secondaires 17 ne sont pas coplanaires avec la direction principale X-X, mais sont toutes orientées selon un même sens de rotation (désigné pas les deux flèches courbes) autour de la direction principale. Quand un ou des jets actionnaires impactent le jet multiphasique à l'intérieur de l'ajutage, il en résulte un élargissement de l'ouverture du jet diphasique issu de l'ouverture de sortie 18.
  • Les dimensions suivantes sont identifiées dans la figure 1 :
    • Dimensions de l'atomiseur coaxial :
      • Dl : Diamètre de la canalisation centrale pour l'alimentation en liquide
      • Dgi : Diamètre interne de la canalisation annulaire de gaz d'atomisation
      • Dge : Diamètre externe de la canalisation annulaire de gaz d'atomisation
    • Dimensions du système de contrôle :
      • Do : Diamètre de l'ouverture de sortie de l'appareil
      • H : Distance entre les ouvertures de sortie et l'ouverture principale mesurée perpendiculairement à la direction principale X-X
      • d 1 : 1ère dimension caractéristique du passage
      • d2 : 2ème dimension caractéristique du passage
      • d = √(d1 2+d2 2)
      • L1 : Distance entre le point central de l'ouverture secondaire et le plan principal
      • L2 : Distance entre le point central de l'axe de l'ouverture secondaire et le plan de sortie
  • Typiquement, les distances L1 et L2 mesurées parallèlement à la direction principale X-X entre le point central de l'ouverture secondaire 17 et respectivement le plan de l'ouverture principale 13 et le plan de l'ouverture de sortie 18 sont entre 1 et 10 fois la racine carrée de la section de l'ouverture secondaire 17. La racine carrée de la section de l'ouverture secondaire 17 correspond à la section transversale de jet actionneur à cette ouverture secondaire. La racine carré de la section de l'ouverture secondaire 17/de la section du jet actionneur à la sortie de cette ouverture secondaire 17 est appelée ci-après la dimension caractéristique d du jet actionneur.
  • La dimension caractéristique des jets actionneurs détermine, pour un débit de fluide donné dans le passage 16 correspondant, l'impulsion des jets actionneurs.
  • Pour obtenir des déviations importantes de l'orientation du jet multiphasique (voir figure 1 b), on cherchera à maximiser le rapport entre l'impulsion du ou des jets actionneurs injectés dans l'ajutage 15 et l'impulsion du jet multiphasique à la sortie de l'ouverture principale 13, en tenant compte du fait qu'en pratique les dimensions caractéristiques des passages sont généralement soumises à des contraintes de fabrication.
  • On limitera typiquement le nombre des jets secondaires agissant sur un jet multiphasique à quatre, dans la mesure où un plus grand nombre de jets secondaires n'améliorerait pas significativement les performances de l'appareil et du procédé, mais conduirait à des difficultés de réalisation et à des coûts de fabrication plus importants. En outre la position des actionneurs dans une zone proche de l'ouverture principale 13 et de l'ouverture de sortie 18 limite, pour des raisons d'encombrement, leur nombre.
  • Les exemples ci-après concernent l'utilisation de l'appareil et du procédé suivant l'invention pour faire varier l'orientation ou l'ouverture d'un jet multiphasique.
  • L'appareil pour faire varier l'orientation d'un jet multiphasique (exemples 1 à 3) est essentiellement tel qu'illustré dans les figures 1a et 1b, un seul jet actionneur ayant une direction secondaire sécante avec la direction principale étant injecté dans l'ajutage.
  • L'appareil pour faire varier l'ouverture d'un jet multiphasique (exemples 4 à 6) est essentiellement tel qu'illustré dans les figures 1 a et 1 c, avec injection de quatre jets actionneurs.
  • Dans les figures 3 à 6, z est la distance en aval de l'ouverture de sortie de l'appareil (mesurée selon la direction principale) à laquelle la déviation alpha (α) respectivement l'élargissement (L-Lo)/Lo sont mesuré. Une mesure à z=0 est donc une mesure directement à la sortie de l'ouverture de sortie, Lo étant la largeur du jet multiphasique à z=0, c'est-à-dire à l'ouverture de sortie.
    • Paramètre de contrôle
  • Le paramètre de fonctionnement de l'appareil et du procédé suivant l'invention est dans les exemples (à dimensions caractéristiques des jets actionneurs constantes) le rapport des débits de gaz qui passent respectivement dans le ou les passages comme jets actionneurs et dans le jet annulaire d'atomisation.
  • Pour tous les résultats présentés dans ce document le débit total de gaz dans les actionneurs et le jet d'atomisation est constant.
    • Déviation du jet multiphasique Exemples 1 à 3 : Déviation du jet multiphasique Exemple 1
  • La déviation du jet multiphasique est définie comme l'angle entre la direction du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie 18 de l'ajutage et la direction principale X-X du jet multiphasique sortant de l'ouverture principale de l'atomiseur.
  • Cet angle peut être mesuré à partir de l'enveloppe du jet multiphasique à la sortie de la chambre de contrôle par ombroscopie (voir figure 2).
  • La figure 2 montre une image moyenne et traitée d'un jet diphasique ou « spray » d'eau généré par un atomiseur de type air-assisté soumis à l'action d'un jet actionneur au moyen de l'appareil pour faire varier l'orientation du jet multiphasique. Les conditions d'injection pour cet exemple sont : débit d'eau de l'ordre de 6 g/s, débit de gaz du jet annulaire d'atomisation de l'ordre de 1,3 g/s, et débit de gaz dans l'actionneur de 0,7 g/s. L'angle de déviation du jet diphasique observé est d'environ 30°.
    • Exemple 2 :
  • La figure 3 montre l'impact du paramètre de contrôle sur la déviation du jet diphasique dans l'appareil pour faire varier la direction d'un jet multiphasique (figures 1a et b) dans lequel Do = 7,5mm et d1 = 3,0 mm.
  • On observe tout d'abord sur cette figure que l'angle de déviation du jet liquide diminue à mesure que l'on s'écarte de l'injecteur. Ce résultat peut s'expliquer par la balistique des gouttes liquides soumises à la gravité (l'injecteur est ici placé en position verticale descendante).
  • On observe surtout que l'angle de déviation du jet diphasique augmente en substance linéairement avec le paramètre de contrôle. Ce phénomène montre une forte dynamique (grande amplitude du niveau de contrôle et de l'angle de déviation du jet) et le paramètre de contrôle permet donc un bon contrôle de la direction du jet multiphasique par une installation de contrôle réglant les impulsions ou débits des jets gazeux respectifs.
  • En outre la valeur maximale obtenue pour cette première configuration est supérieure à celle obtenue selon les systèmes non-mécaniques connus, par exemple de EP-A-0545357.
    • Exemple 3 :
  • La figure 4 montre l'impact du paramètre de contrôle sur la déviation du jet diphasique dans l'appareil pour faire varier la direction d'un jet multiphasique (figures 1a et b) avec les même dimensions et conditions d'opération comme dans la figure 3, si ce n'est que Do = 5,5mm. L'ouverture secondaire du jet actionneur est donc dans ce cas moins éloignée de l'ouverture principale (valeur plus faible de H).
  • On observe dans cette figure un effet de seuil puis une très forte augmentation de l'angle de déviation du jet avec le niveau de contrôle. En outre l'amplitude maximale de la déviation est beaucoup plus importante que dans le cas précédent.
  • Il est ainsi possible d'ajuster l'amplitude de la déviation du jet et à dynamique du système de contrôle (rapport entre le paramètre de contrôle et la déviation du jet obtenu) par un choix approprié de la distance H.
  • Pour obtenir des amplitudes très importantes, par exemple jusqu'à 50° ou 60°, on utilisera une distance H comprise entre 0.5 et 1.50 x la dimension caractéristique d du jet actionneur. En revanche, si l'on cherche une déviation seulement importante (30°) mais sans effet de seuil (relation en substance linéaire entre le paramètre de contrôle et la déviation du jet obtenu), on choisira une distance comprise entre 0 et 0.2 x d.
    • Exemples 4 et 5 : Ouverture du jet diphasique
  • L'ouverture du jet multiphasique issu de l'ouverture de sortie est définie à partir de l'enveloppe du jet diphasique, cette enveloppe est déterminée comme évoqué plus haut. En pratique on détermine un taux d'élargissement du jet comme la variation relative de la largeur du jet diphasique à une distance donnée en aval de l'injecteur.
    • Exemple 4 :
  • La figure 5 montre l'évolution du taux d'élargissement du « spray » en fonction du paramètre de contrôle pour quatre jets actionneurs dans une disposition tangentielle avec H = 80mm et d1 = 3mm. On observe une évolution continue et linéaire jusqu'à un paramètre de contrôle = 5, présentant également une très forte dynamique.
    • Exemple 5 :
  • Comme montré dans la figure 6, pour les actionneurs en position tangentielle, la dimension d1 du passage, et donc, à d2 constante, également la dimension d du passage ne modifient pas sensiblement l'effet du contrôle. Dans cette figure SW2, SW3 et SW5 se distinguent en ce que dans SW2 : d1= 2mm, dans SW3 : d1= 3mm et dans SW5 : d1= 5mm.
    • Exemple 6 : Granulométrie du jet diphasique
  • Si les jets actionneurs permettent de modifier comme on vient de le montrer la direction d'un jet diphasique ou son ouverture, ils permettent également d'en modifier la granulométrie, c'est-à-dire la distribution de taille des gouttes. Dans cet exemple 8, on mesure à l'aide d'une technique optique Malvern (diffusion de la lumière par les particules), la taille moyenne (diamètre moyen de Sauter).
  • La figure 7 montre l'évolution du diamètre moyen de Sauter (D32) pour quatre jets actionneurs dans une disposition tangentielle. On observe une augmentation continue du diamètre moyen de Sauter à une dimension d1 (et donc, à d2 constante, à une dimension d plus importante. En revanche lorsque d1 (et donc, à d2 constante, d) est plus faible, l'augmentation de la taille des particules est rapidement limitée. Le choix des dimensions du passage et donc de l'ouverture secondaire et, par conséquent, de la section transversale du jet actionneur à la sortie de l'ouverture secondaire correspondante, permettrait par exemple d'ouvrir le spray avec ou sans modification significative de la taille des particules.

Claims (15)

  1. Appareil pour l'injection d'un jet multiphasique à direction et/ou l'ouverture variables, ledit appareil comportant :
    • un pulvérisateur ayant une ouverture principale pour l'injection d'un jet multiphasique à impulsion régulée selon une direction principale, ladite ouverture principale étant située dans un plan principal et ayant une section Sp et
    • un ajutage dans laquelle débouche l'ouverture principale du pulvérisateur, ledit ajutage ayant une ouverture de sortie pour le jet multiphasique située dans un plan de sortie et à l'opposée de l'ouverture d'injection, et
    • au moins un passage ayant une ouverture secondaire pour l'injection à l'intérieur de l'ajutage d'un jet actionneur de gaz à impulsion régulée selon une direction secondaire de manière à ce que le jet actionneur impacte le jet multiphasique à l'intérieur de l'ajutage, ladite ouverture secondaire ayant une section Ss, la direction secondaire formant un angle θ avec le plan perpendiculaire à la direction principale inférieure à 90° et supérieure ou égale à 0°, de préférence 0° ≤ θ ≤ 80°, plus de préférence 0° ≤ θ ≤ 30°, appareil dans lequel l'ouverture secondaire du au moins un passage a un point central situé à une distance L1 du plan principal et à une distance L2 du plan de sortie et dans lequel L1, L2 ≤ 10 x √Ss.
  2. Appareil suivant la revendication 1, dans lequel l'ajutage est en métal.
  3. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 0,25 ≤ √Sp/√Ss ≤ 10,0.
  4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes pour l'injection d'un jet multiphasique à orientation variable, comportant au moins un passage tel que la direction secondaire du jet actionneur issu de l'ouverture secondaire correspondante est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale du jet multiphasique issu de l'ouverture principale.
  5. Appareil suivant la revendication 4, comportant au moins deux passages orientés de manière à ce que les directions secondaires des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes sont sécantes ou quasi-sécantes avec la direction principale du jet multiphasique issu de l'ouverture principale.
  6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes pour l'injection d'un jet multiphasique à ouverture variable, comportant au moins un passage tel que la direction secondaire du jet actionneur issu de l'ouverture secondaire correspondante n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale du jet principal issu de l'ouverture principale.
  7. Appareil suivant la revendication 6, comportant au moins deux passages orientés de manière à ce que les directions secondaires des jets actionneurs issus des ouvertures secondaires correspondantes ne sont pas en substances coplanaires avec la direction principale du jet multiphasique issu de l'ouverture principale et que les jets secondaires issus des ouvertures secondaires correspondantes sont orientés selon un même sens de rotation autour de la direction principale.
  8. Procédé pour modifier l'orientation et/ou l'ouverture d'un jet multiphasique au moyen d'un appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, procédé dans lequel :
    • le jet multiphasique est injecté par le pulvérisateur dans l'ajutage à travers l'ouverture principale du pulvérisateur, ledit jet multiphasique étant injecté selon une direction principale et avec une impulsion régulée,
    • au moins un jet actionneur est injecté dans l'ajutage à travers l'ouverture secondaire d'un passage, chaque jet actionneur étant injecté avec une impulsion régulée et selon une direction secondaire telle que le jet secondaire impacte le jet multiphasique à l'intérieur de l'ajutage, la direction secondaire formant un angle θ avec le plan perpendiculaire à la direction principale inférieure à 90° et supérieure ou égale à 0°, de préférence 0° ≤ θ ≤ 80°, plus de préférence 0° ≤ θ ≤ 30°,
    procédé dans lequel on varie l'orientation et/ou l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie de l'ajutage par une variation de l'impulsion régulée d'au moins un jet actionneur.
  9. Procédé suivant la revendication 8 pour modifier l'orientation d'un jet multiphasique, dans lequel l'orientation secondaire d'au moins un jet actionneur injecté dans l'ajutage est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale du jet multiphasique issu de l'ouverture principale, et on varie l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie de l'ajutage par une variation de l'impulsion régulée du au moins un jet actionneur dont la direction secondaire est sécante ou quasi-sécante avec la direction principale.
  10. Procédé suivant l'une des revendications 8 et 9 pour modifier l'ouverture d'un jet multiphasique, dans lequel l'orientation secondaire d'au moins un jet actionneur injecté dans l'ajutage n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale du jet multiphasique issu de l'ouverture principale, et dans lequel on varie l'ouverture du jet multiphasique sortant de l'ouverture de sortie de l'ajutage par une variation de l'impulsion régulée du au moins un jet actionneur dont la direction secondaire n'est pas en substance coplanaire avec la direction principale.
  11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le jet multiphasique est un jet diphasique liquide/gaz ou un jet diphasique solide/gaz.
  12. Procédé suivant l'une des revendications 8 à 11, dans lequel le jet multiphasique contient une dispersion d'azote liquide.
  13. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel le jet multiphasique comprend une dispersion d'un combustible liquide et/ou d'un combustible solide.
  14. Procédé suivant la revendication 13, dans lequel le jet multiphasique est une dispersion dans un comburant gazeux.
  15. Procédé suivant la revendication 14, dans lequel le comburant gazeux a une teneur en oxygène d'au moins 40%vol, de préférence d'au moins 50%vol et encore de préférence d'au moins 90%vol.
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