Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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APPAREIL ET PROCEDE POUR FAIRE VARIER LES PROPRIETES D'UN
JET MULTIPHASIQUE
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.
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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-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
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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
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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 e
avec le plan perpendiculaire à la direction principale, l'angle e étant
inférieur à
90 et supérieur ou égal à 0 , de préférence 0 <_ e <_ 80 , plus de
préférence
0 <_ e <_ 30 , l'effet du jet actionneur étant le plus prononcé quand e 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 e
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
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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
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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 <_
JSpNSs <_ 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
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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
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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
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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
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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 e avec le
plan perpendiculaire à la direction principale, cet angle e étant inférieur à
90 et
supérieur ou égal à 0 , de préférence 0 <_ e <_ 80 et plus de préférence 0
< e
30 , l'effet du jet actionneur sur le jet multiphasique étant le plus prononcé
quand l'angle e 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
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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
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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
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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 la, b et c représentant schématiquement deux formes de
réalisation d'un appareil suivant l'invention, la figure la représentant une
section longitudinale de l'appareil et la figure lb représentant une
section transversale de l'ajutage pour faire varier l'orientation d'un jet
multiphasique et la figure l c 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
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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 1 b et 1 c).
Deux dispositions différentes des passages et des ouvertures
secondaires correspondantes sont illustrées pour une configuration à quatre
jets actionneurs.
La figure lb 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 l c 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
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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 :
D, : 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
dl :1 ère dimension caractéristique du passage
d2: 2ème dimension caractéristique du passage
d = V(d12+d22)
L, : 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 1b), 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
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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 la et lb, 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 la et l 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
(a) 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.
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Déviation du met 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 la et b) dans lequel Do = 7,5mm et dl = 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.
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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 la 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.
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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 dl = 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 dl 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 : dl=
2mm, dans SW3: dl= 3mm et dans SW5: dl= 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 dl (et
donc, à d2 constante, à une dimension d plus importante. En revanche lorsque
dl (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.
