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NOUVEAU DISPOSITIF DE CONTROLE DU PROFIL RADIAL DE LA TEMPERATURE
D'UNE VEINE GAZEUSE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un dispositif de contrôle de la température
d'une veine
gazeuse, la veine gazeuse constituant un fluide chaud issu par exemple d'une
combustion,
et destinée, après refroidissement, à être utilisée comme fluide caloporteur
dans un
échangeur situé en aval du présent dispositif. L'échangeur situé en aval ne
fait pas partie de
la présente invention et peut être d'un type quelconque.
Le dispositif selon l'invention permet à la fois de réduire la température de
la veine gazeuse,
tolit en respectant un profil radial de température donné.
Le dispositif selon l'invention peut, par exemple, se placer le long d'un
circuit de fumées, et
permet de délivrer une veine gazeuse à température réduite et présentant un
profil radial de
température le plus homogène possible sur l'ensemble de sa section.
Plus particulièrement, le dispositif selon l'invention s'applique à des gaz de
combustion
disponibles à une température pouvant atteindre 2500 C, et généralement
comprise entre
1000 C et 2500 C, qu'on désire porter à une température inférieure à 1000 C
d'une manière
parfaitement homogène, c'est à dire avec un profil radial de ladite
température qui soit "plat" '
selon n'importe quelle section de la veine gazeuse.
Ce problème d'homogénéité radiale est complexe car la veine gazeuse chaude,
par
exemple issue d'une combustion réalisée au moyen d'un brûleur, présente
généralement un
profil radial de température marqué par des écarts importants entre la
température au
centre de la veine et la température en périphérie de ladite veine. Selon la
technologie du
brûleur utilisé et le régime d'écoulement, le plus souvent turbulent, il n'est
pas rare
d'observer des températures au centre de la veine gazeuse voisine de 2500 C,
et des
températures en périphérie d'environ 1500 C.
Le premier objectif atteint par la présente invention est d'abaisser la
température d'une
veine gazeuse "chaude" disponible à une température comprise entre 1000 C et
2500 C et
pouvant présenter des hétérogénéités radiales de température, à un niveau
inférieur à
1000 C, plus particulièrement inférieure à 700 C dans un temps donné inférieur
à 1
seconde, et de manière que la veine gazeuse résultante, dite veine" froide"
soit caractérisée
par un profil radial de température le plus homogène possible.
Le dispositif permet en outre de ménager au niveau des parois du présent
dispositif en
contact avec la veine gazeuse à traiter, une zone à l'intérieur de laquelle la
température de
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ladite veine gazeuse est toujours inférieure à celle de la périphérie de
ladite veine,
et si possible inférieure à 500 C, ce qui permet de réaliser la majeure
partie, voire
l'intégralité dudit dispositif dans une métallurgie peu coûteuse.
Il convient de noter que ce second objectif est dans une certaine mesure
antagoniste avec le premier, puisqu'il s'agit au final d'obtenir une veine
gazeuse
présentant un profil radial homogène, alors que le second objectif consiste à
réaliser sur toute la traversée du dispositif par la veine gazeuse, un profil
radial de
cette dernière, caractérisé par une zone de paroi froide ( inférieure à 500
C), alors
que la zone centrale peut atteindre des températures de 1500 C, ceci dans le
but
de protéger les parois du dispositif de températures excessives.
Le présent dispositif permet donc de résoudre un problème que l'on peut
définir par
deux objectifs, le premier objectif consistant à réaliser à la traversée du
dispositif un
profil présentant une zone de paroi froide et le second consistant à réaliser
en sortie
dudit dispositif un profil "plat", les deux objectifs devant être atteints en
respectant
un temps de séjour total inférieur à 1 seconde.
Examen de l'art antérieur
Le brevet US 7,018,435 B1 décrit un dispositif dans lequel le combustible est
injecté
à proximité de la paroi autour d'un jet de comburant de façon à assurer un bon
mélange comburant/combustible avant d'entrer dans la section réactionnelle, en
l'occurrence une réaction d'oxydation catalytique. Cependant, cette invention
ne
vise pas à contrôler la température de l'enceinte dans laquelle se déroule
l'oxydation. De plus, dans cette invention, l'écoulement central n'est pas mis
en
rotation.
On peut mentionner également la technologie de Westinghouse dans son brûleur
dit "multi annulaire" qui fait appel à un fluide refroidissement injecté dans
une
conduite annulaire comportant une chicane, mais dans laquelle ledit fluide
n'est pas
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mis en rotation. De plus le brûleur utilisé dans cette technologie est
nécessairement
un brûleur possédant un dispositif de mise en rotation des gaz de combustion.
De manière générale, le principe d'injecter un fluide de refroidissement de
manière
approximativement tangentielle à l'écoulement du fluide principal en vue de
refroidir
ce dernier et de lui communiquer une certaine rotation, est connu de l'homme
du
métier.
La présente invention fournit un jeu de ratios spécifiques permettant de
définir la
géométrie d'ensemble du dispositif de façon à atteindre les deux objectifs
précités.
La présente invention vise un dispositif axisymétrique de contrôle de la
température
d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit intérieur (4) de diamètre
Di
et s'écoulant sensiblement selon l'axe du dispositif, ledit dispositif
comportant:
- une enceinte cylindrique (1) de diamètre De entourant le conduit de
diamètre
Di sur une longueur L1,
- une partie conique convergente (2) de longueur Lc permettant de passer du
diamètre De au diamètre Ds strictement inférieur à De,
- un conduit cylindrique (3) de diamètre Ds s'étendant sur une longueur L2,
- au moins une conduite d'amenée (5) d'un fluide de refroidissement de
diamètre Dc située sensiblement perpendiculairement à la direction de l'axe
dudit dispositif, et permettant d'alimenter en fluide de refroidissement la
partie
annulaire (6) comprise entre l'enceinte cylindrique externe (1) et le conduit
interne (4), le dispositif respectant les proportions suivantes:
- L1/Di compris entre 0,5 et 2,
- Lc/Di compris entre 0,5 et 5,
- L2/Di compris entre 1,5 et 10,
- Dc/Di compris entre 0,1 et 0,4,
- De/Di compris entre 1 et 5.
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La présente invention vise aussi un procédé de refroidissement d'une veine
gazeuse chaude au moyen du dispositif, dans lequel le fluide de
refroidissement est
injecté à une vitesse moyenne comprise entre 5 m/s et 80 m/s.
La présente invention vise aussi un procédé de refroidissement d'une veine
gazeuse chaude au moyen du dispositif, dans lequel le fluide de
refroidissement est
de l'air à température ambiante, mis en rotation dans un plan perpendiculaire
à l'axe
du dispositif.
La présente invention vise aussi un procédé de refroidissement d'une veine
gazeuse chaude au moyen du dispositif, dans lequel la veine gazeuse au niveau
de
la partie conique (2) du dispositif présente une zone de paroi à l'intérieur
de laquelle
la température est comprise entre 200 C et 500 C.
La présente invention vise aussi un procédé de refroidissement d'une veine
gazeuse chaude au moyen du dispositif, dans lequel la veine gazeuse en sortie
du
dispositif présente un profil radial de température homogène dans toute sa
section,
c'est-à-dire avec un écart de température entre la température au centre et la
température aux bords inférieur à 35%.
Description sommaire des figures
La figure 1 donne une représentation schématique du dispositif selon la
présente
invention dans le cas général d'une veine gazeuse issue d'une combustion en
amont. En pointillé sur
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cette figure, on a représenté le cas particulier où la veine chaude est
générée par un brûleur
placé in situ, c'est à dire à l'intérieur même du présent dispositif.
Les figures 2 et 3 présentent des relevés de profil radial de la température
pris dans la veine
gazeuse avec le dispositif (lignes continues) et sans le dispositif selon
l'invention (lignes
pointillées). La figure 2 correspond à un relevé effectué à l'entrée du
dispositif ( partie
convergente), et la figure 3 à un relevé effectué en sortie du dispositif.
Les figures 4 et 5 représentent des cartographies d'isotempératures effectuées
dans un
plan de coupe perpendiculaire à l'axe du dispositif.
La figure 4 est obtenue sans le dispositif, et la figure 5 avec le dispositif
selon l'invention.
Description sommaire de l'invention
Le dispositif selon l'invention peut se définir comme un dispositif destiné à
refroidir une veine
gazeuse chaude en respectant une contrainte de température à la paroi de la
dite veine
gazeuse, tout au long de la traversée dudit dispositif, et un profil radial de
température le
plus homogène possible en sortie dudit dispositif.
Plus précisément le dispositif selon l'invention est un dispositif
axisymétrique de contrôle de
la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit intérieur
(4) de
diamètre Di et s'écoulant sensiblement selon l'axe de symétrie dudit
dispositif. Le dispositif
objet de l'invention comporte:
- une enceinte cylindrique (1) de diamètre De entourant le conduit de diamètre
Di sur
une longueur L1,
- une partie conique convergente (2) de longueur Lc permettant de
passer du diamètre
De au diamètre Ds strictement inférieur à De,
- un conduit cylindrique (3) de diamètre Ds s'étendant sur une longueur
L2,
- au moins une conduite d'amenée (5) d'un fluide de refroidissement de
diamètre Dc
située sensiblement perpendiculairement à l'axe du dispositif, et débouchant
au
niveau de la zone annulaire délimitée par l'enceinte cylindrique (1) et le
conduit (4) de
diamètre Di.
La conduite d'amenée (5) permet d'alimenter en fluide de refroidissement la
partie annulaire
(6) comprise entre l'enceinte cylindrique externe (1) et le conduit interne
(4).
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Selon une caractéristique préférée du dispositif selon l'invention, la
conduite d'amenée (5)
du fluide de refroidissement est située à une distance d de la section
d'entrée du dispositif,
d/Di étant supérieur à 0,1.
Selon une autre caractéristique préférée du dispositif selon l'invention, le
conduit intérieur (4)
contient un brûleur s'étendant approximativement sur une longueur égale à
(L1)/2.
Du fait du profil de température réalisé par le dispositif, l'enceinte
cylindrique (1) de diamètre
De est généralement en acier ordinaire.
La veine chaude à refroidir peut être générée par tout système de combustion
produisant
des gaz de combustion jusqu'à une température pouvant atteindre 2500 C. Dans
certains
cas, la veine gazeuse chaude est générée par un brûleur in situ, c'est à dire
placé au sein du
dispositif à l'intérieur de la conduite interne de diamètre Di. Dans ce cas,
la longueur du tube
de flamme contenant ledit brûleur est préférentiellement comprise entre 0,5 L1
et 0,8 L1.
De manière préférée, une grille (8) est disposée dans l'espace annulaire (6)
dans un plan
sensiblement perpendiculaire à l'axe du dispositif à une distance comprise
entre L1/4 et L1/2
de l'entrée du dispositif (correspondant à l'abscisse X0).
Lorsque la veine chaude est générée par un brûleur in situ, et que ledit
brûleur génère un
mouvement de rotation des gaz de combustion, le fluide de refroidissement est
introduit
dans l'espace annulaire par la conduite (5), préférentiellement de manière à
produire un
mouvement de rotation dudit fluide de refroidissement dans le même sens que le
mouvement de rotation des gaz de combustion issus du brûleur.
L'invention peut également se définir comme un procédé de refroidissement
d'une veine
gazeuse chaude au moyen du dispositif selon la présente invention, dans lequel
le fluide de
refroidissement est injecté par la conduite (5) à une vitesse moyenne
généralement
comprise entre 5 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 10m/s et
30 m/s. La
dite vitesse est rapportée à la section de la conduite d'amenée (5) ou à
chacune desdites
conduites d'amenée lorsqu'il y en a plusieurs.
Le procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du
dispositif selon
l'invention permet de réaliser une zone de paroi à l'intérieur de laquelle la
température est
généralement comprise entre 200 C et 500 C.
Enfin, le procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du
dispositif
selon l'invention permet simultanément de réaliser en sortie dudit dispositif
un profil radial de
température homogène dans toute sa section, c'est à dire avec un écart de
température
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entre la température au centre de la veine gazeuse et la température en
périphérie de la
veine gazeuse inférieur à 35%.
Description détaillée de l'invention
La présente invention décrit un dispositif permettant d'abaisser la
température d'une veine
5 gazeuse chaude, contenue dans un conduit (4) de diamètre Di, tout en
garantissant son
homogénéité dans toute section de ladite veine.
Le dispositif consiste en un ensemble axisymétrique comprenant:
- une enceinte cylindrique (1) de diamètre De entourant le conduit (4)
de diamètre Di
sur une longueur L1,
- une partie conique convergente (2) de longueur Lc permettant de passer du
diamètre
De au diamètre Ds, strictement inférieur à De,
- un conduit cylindrique (3) de diamètre Ds s'étendant sur une longueur L2,
- au moins une conduite d'amenée (5) d'un fluide de refroidissement de
diamètre Dc,
située sensiblement perpendiculairement à l'axe de symétrie du dispositif, et
permettant d'alimenter en fluide de refroidissement la partie annulaire (6)
comprise
entre l'enceinte cylindrique externe (1) de diamètre De, et le conduit (4) de
diamètre
Di, le dispositif respectant les proportions suivantes:
- L1/Di compris entre 0,5 et 2 et préférentiellement compris entre 1 et 2
- Lc/Di compris entre 0,5 et 5 et préférentiellement compris entre 0,6 et 2
- L2/Di compris entre 1,5 et 10 et préférentiellement compris entre 2 et 5
- Dc/Di compris entre 0,1 et 0,4 et préférentiellement compris entre 0,2 et
0,3
- De/Di compris entre 1 et 5 et préférentiellement compris entre 1 et 2
Pour la bonne compréhension de la suite du texte, on convient de noter X l'axe
de symétrie
principal du dispositif qui correspond à la coordonnée selon laquelle sont
comptées les
différentes longueur ( L1, Lc, L2...), et également du point de vue procédé, à
la coordonnée
selon laquelle la veine gazeuse s'écoule.
On convient de noter Y l'axe perpendiculaire à l'axe X, et contenant la
conduite d'amenée
(5).
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Enfin, on convient de noter Z l'axe perpendiculaire au plan contenant les axes
X et Y.
La conduite d'amenée (5) du fluide de refroidissement est préférentiellement
située à une
distance d de la section d'entrée du dispositif ( X= 0), telle que d/Di est
supérieur à 0,1.
Cette conduite d'amenée peut être unique ou être divisée en un certains nombre
de
conduites d'amenée régulièrement réparties le long de l'axe X.
Dans le cas d'une multiplicité de conduites d'amenée (5), le choix du nombre
et du diamètre
de chacune des conduites est fait de manière à respecter à la fois le débit
total de fluide de
refroidissement permettant d'abaisser la température de la veine gazeuse à la
température
voulue, et le critère de vitesse de sortie du gaz de refroidissement.
Généralement, la vitesse de sortie du fluide de refroidissement au niveau de
la ou des
conduites d'amenée (5) est comprise entre 5 m/s et 80 m/s, et
préférentiellement comprise
entre 10m/s et 30 m/s.
La direction du vecteur vitesse du fluide de refroidissement au niveau de la
conduite
d'amenée (5) est perpendiculaire à l'axe X, de manière à induire un mouvement
de rotation
dudit fluide de refroidissement à l'intérieur de l'espace annulaire (6). Ce
mouvement de
rotation a pour effet d'homogénéiser le flux dudit fluide de refroidissement
tout autour de
l'espace annulaire (6), et d'homogénéiser ainsi le champ de température en
périphérie du
dispositif.
Il a été montré que cette rotation du fluide de refroidissement contribue à
maintenir une
température réduite en périphérie des parois de la zone annulaire (6) tout au
long du
processus de mélange avec la veine gazeuse à refroidir.
La veine gazeuse à refroidir peut être générée en amont du présent dispositif
dans tout
système de génération de chaleur, tel qu'un four, ou peut être générée par un
brûleur placé
à l'intérieur même dudit dispositif. La présente invention est compatible avec
tout type de
brûleur, que ce brûleur soit à pré mélange ( ou mélange préalable du
combustible et du
comburant) ou non. De manière préférée, le brûleur produira une flamme non pré
mélangée,
dite de diffusion.
La présente invention est également compatible avec tout type de combustible
gazeux ou
liquide. Généralement le combustible est constitué d'une coupe hydrocarbure
quelconque,
ou de gaz légers pouvant contenir de l'hydrogène. Le comburant est
généralement de l'air
mais peut également être de l'air enrichi, voir même dans certains cas de
l'oxygène pur.
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De manière encore préférée, le brûleur générant la veine gazeuse chaude est un
brûleur
comportant un dispositif de mise en rotation des gaz de combustion générés (
appelé "swirl"
dans la terminologie anglo saxonne). Dans ce cas, la rotation du fluide de
refroidissement à
l'intérieur de la zone annulaire (6) se fait dans le même sens que la rotation
des gaz de
combustion générés par le brûleur.
Préférentiellement, le brûleur est placé à l'intérieur d'un tube, dit tube de
flamme, dont le
diamètre di est approximativement compris entre 0,2 Di et 1 Di.
De façon encore préférée, la longueur du tube de flamme contenant le brûleur
est
approximativement comprise entre 0,5 L1 et 0,8 L1.
La structure du profil radial de température de la veine gazeuse chaude, après
mélange
avec le fluide refroidissement, présente une zone de paroi à l'intérieur de
laquelle la
température de la veine gazeuse est inférieure à 500 C sur toute la longueur
du dispositif, et
inférieur à 700 C en tout point situé à l'aval du dispositif. Il est dans ces
conditions possible
d'utiliser pour les parois délimitant le dispositif et les tubulures située en
aval dudit dispositif
un acier type 309 selon la norme AISI (c'est à dire de composition typique 24%
de Cr et 14
% de Ni), ou tout autre acier équivalent.
Le conduit cylindrique (3) à l'intérieur duquel se poursuit l'échange de
chaleur entre la veine
gazeuse à refroidir et le fluide refroidissement peut subir des températures
de paroi allant
jusqu'à 700 C. Sans le dispositif selon l'invention, le choix des matériaux
constituant les
parois des enceintes contenant la veine gazeuse serait beaucoup plus
contraignant du fait
d'une température de paroi de l'ordre de 900 C à 1200 C.
L'espace annulaire (6) compris entre le conduit (4) et l'enceinte cylindrique
(1) peut
comporter une grille (8) disposée dans un plan sensiblement perpendiculaire à
l'axe du
dispositif à une distance comprise entre L1/4 et L1/2 par rapport à l'origine
X=0. L'objectif de
cette grille est d'homogénéiser les flux du fluide de refroidissement tout
autour de la zone
annulaire (6).
Le fluide de refroidissement est généralement de l'air à température ambiante.
Il peut être
également un gaz inerte tel que de l'azote, l'argon ou l'hélium. Le fluide de
refroidissement
peut également dans certains cas être constitué d'un mélange contenant du CO2,
tel que
des fumées suffisamment froides et ne contenant pas d'eau ( fumées dites
"sèches").
Dans un cas particulier lié à l'utilisation en aval de la veine gazeuse comme
fluide
caloporteur, le fluide de refroidissement peut être constitué au moins en
partie d'une fraction
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de la veine gazeuse refroidie, après son utilisation comme fluide caloporteur
dans un
échangeur situé en aval.
Exemple selon l'invention
On fournit un exemple comparatif portant sur une veine chaude avec et sans le
dispositif
selon l'invention.
Les deux effets, 1) de création d'une zone de paroi refroidie sur une portion
définie du
dispositif et 2) de confinement de la veine gazeuse à l'intérieur d'un pinceau
cylindrique sont
clairement démontrés.
Une veine chaude est produite par un brûleur placé à l'intérieur du conduit de
diamètre di. Le
brûleur a une longueur égale à 250mm.
Les données géométriques du dispositif selon l'invention sont les suivantes :
L1=320 mm,(L1/Di= 1,58)
L2=400 mm,(L2/Di= 1,98)
Lc=131 mm,( Lc/Di= 0,648)
Ds=102 mm, ( Ds/Di= 0,50)
De=254 mm, ( De/Di= 1,257)
Di=202 mm,
Dc=52 mm, ( Dc/Di= 0,257)
di=78 mm, ( di/Di= 0,386).
Le comburant est constitué d'air de débit 10,8 g/s et le combustible est
constitué d'éthanol
liquide de débit 1,06 g/s.
Une flamme de diffusion se stabilise à la sortie du tube de flamme de diamètre
di= 78 mm,
soit avec un rapport di/Di de 0,386.
Dans l'espace annulaire (6) compris entre le conduit de diamètre Di et
l'enveloppe externe
de diamètre De, un écoulement d'air de refroidissement est injecté
perpendiculairement à la
section du dispositif, avec un débit de 35 g/s, correspondant à une vitesse de
14,0 m/s.
Ce débit d'air de refroidissement assure la mise en rotation dudit fluide sur
l'ensemble de
l'espace annulaire (6). L'air de refroidissement est introduit par la tubulure
(5) de diamètre
Dc= 52 mm, située à une distance de 50 mm du début du dispositif ( X=0), et
perpendiculaire à l'axe X du dispositif.
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Le cas sans dispositif correspond à l'absence d'injection d'air de
refroidissement. La
température moyenne de la veine gazeuse est alors de: 1900 C.
Le cas avec dispositif correspond à l'injection d'air de refroidissement dans
l'espace
annulaire (6) compris entre le conduit de diamètre Di et l'enveloppe externe
de diamètre De.
La température moyenne de la veine gazeuse après mélange avec le fluide de
refroidissement est alors de 700 C. La température en paroi est de plus
toujours inférieure à
580 C.
Les figures 2 et 3 présentent les résultats de simulations numériques
réalisées à l'aide d'un
code de mécanique des fluides, la veine gazeuse chaude étant générée par un
brûleur in-
situ de diamètre di= 78 mm.
La figure 2 correspond à un profil comparatif avec le dispositif (courbe en
traits pleins) et
sans le dispositif (courbe en traits pointillés), le plan des relevés étant le
plan de coupe situé
à l'entrée du convergent ( X= L1).
La figure 3 correspond à un profil comparatif avec le dispositif ( courbe en
traits pleins) et
sans le dispositif (courbe entraits pointillés), le plan des relevés étant le
plan de coupe situé
à l'extrémité de sortie du dispositif (X=L1+Lc+L2).
On constate qu'avec le dispositif, le profil radial de température présente
aux parois une
zone refroidie à l'intérieur de laquelle la température est d'environ 300 C,
zone qui n'existe
pas sans le dispositif où la température dans la zone de paroi est d'environ
1600 C.
Cet effet de refroidissement aux parois permet d'utiliser une métallurgie en
acier ordinaire
sur les parois (4) et (2) constituant le dispositif.
On observe de plus sur la figure 3 que le profil radial est homogène au sens
où l'écart de
température entre le centre (T= 730 C) et les parois (T= 550 C ) est inférieur
à 35 A.
Il convient de noter que ce niveau d'homogénéité en sortie du dispositif est
difficile à réaliser
compte tenu qu'une des fonctions du dispositif est de créer en permanence une
zone de
température dite "de paroi" inférieure à 500 C, de manière à protéger les
parois
correspondantes dudit dispositif.
La performance d'homogénéité du profil radial de température en sortie du
dispositif doit
s'apprécier en tenant compte du second objectif que permet de réaliser le
dispositif selon
l'invention qui est la création d'une zone de paroi "froide".
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Les figures 4 et 5 représentent des cartographies isotempérature et permettent
de visualiser
le champs de température avec et sans le dispositif.
La figure 4, (sans le dispositif), fait apparaître un étalement des courbes
isotempérature
notamment autour de la zone conique (2), alors que sur la figure 5 (avec le
dispositif) on
5 observe un très net resserrement des courbes isotempérature qui se trouvent
concentrées
dans un pinceau cylindrique approximativement aligné avec le tube de flamme.
Cet effet de resserrement est particulièrement intéressant puisqu'il permet de
confiner la
veine chaude tout en maintenant une zone de paroi froide.
