Brevet FR2031416A1 — publié le 19701120

Dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique intitulé SOUR A TUBE RAYONNANT portant le N° 74-9.379 déposé le 1er Août • 1968, au nom de LAZAROS J. LAZARIDIS, il a été souligné que les fours électriques et particulièrement les fours à induction ont 5 été fréquemment préférés aux fours classiques à tube rayonnant dans les applications à haute température (généralement au-dessus de 1093°C). Dans la demande de brevet précitée, on cite plusieurs perfectionnements ayant pour but de s'opposer à cette tendance à 10 l'emploi de plus en plus fréquent de fours électriques. Ces perfectionnements concernent principalement l'augmentation de la transmission de chaleur des tubes rayonnants à la matière que l'on traite dans le four. La présente invention, bien que visant les mêmes objectifs généraux de généralisation de l'emploi et del'é-15 largissement des domaines d'emploi des fours à tube rayonnant, vise plus particulièrement l'amélioration- du tube rayonnant en soi par élévation de sa température de fonctionnement et de la densité de flux de chaleur au-dessus de ce que l'on peut obtenir avec les ensembles de combustion de ce genre dont on, dispose ac-20 tuellement. L'appareil perfectionné à tube rayonnant convient spécialement pour l'emploi non seulement dans le four exposé dans la demande de brevet précitée, mais d'une manière générale dans les ensembles à rayonnement et du type à immersion. Pour comprendre d'une manière appropriée la présente inven-25 tion, des considérations sur la relation qu'il y a entre le brûleur et le tube rayonnant sont nécessaires. Le tube rayonnant a une forme cylindrique, comme le brûleur. A la surface périphérique du brûleur on a formé des canaux hélicoïdaux. Le brûleur est ajusté de manière serrée soit directement dans le tube rayonnant, 30 soit dans un manchon qui l'enferme et qui forme avec les canaux un groupe de passages hélicoïdaux à travers lesquels est forcé' de passer l'air ou autre gaz de combustion. Ces passages ont pour but principal de créer un mouvement tournant du mélange combustible qui, après allumage, persiste sous forme d'un courant héli-35 coïdal de gaz brûlés sur toute la longueur du tube rayonnant, pour améliorer la mission de chaleur et réaliser une distribution de température uniforme le long du tube rayonnant. D'une manière secondaire, les passages, en liaison avec des orifices de combustible normaux aux passages, aident à réaliser un brasage intime 40 qui améliore le rendement et permet d'obtenir des températures 69 34466 2 2031416 de flamme élevées dans toute la masse du mélange. L'air ou autre gaz carburant refoulé à travers le manchon, et qui par l'action des canaux hélicoïdaux est mis sous forme de jets d'air hélicoïdaux à grande vitesse, est de préférence 5 fourni par un manchon de relativement grande dimension à l'élément renfermant le brûleur, et le gaz est fourni par un manchon plus petit communiquant avec l'intérieur du brûleur afin d'atteindre les orifices radiaux. Le gaz, lorsqu'il sort à travers les orifices radiaux à 10 angle droit par rapport au courant d'air turbulent, crée un tourbillon contribuant à un mélange intime. Le mélange, lorsqu'il sort de la tête du brûleur, tourne hélicoïdalement et est allumé à cet endroit. Du fait du mélange intime, il brûle d'une manière presque adiabatique et les produits de combustion continuent sous 15 forme de courant de gaz brûlés le long du tube rayonnant en conservant le même mouvement généralement hélicoïdal que celui qui a été imprimé au mélange avant l'allumage. La rotation du courant de gaz brûlés et la pression exercée contre la paroi intérieure du tube rayonnant et causée par la force centrifuge du courant 20 tournant fait disparaître les couches limites afin d'améliorer la transmission chaleur entre le courant gazeux et le tube. Ce qui est très important, c'est que la transmission de chaleur du courant au tube est telle qu'on réalise une distribution de température uniforme le long d'un tube de longueur considérable. 25 Une adjonction utile consiste à prévoir un tube d'obser vation comportant une fermeture étanche transparente à son extrémité éloignée du brûleur et se terminant à la paroi terminale de la tête de brûleur pour permettre d'observer et de surveiller la combustion. On peut employer pour l'allumage une électrode 30 s'étendant jusqu'à un point extérieur à cette paroi terminale afin de réaliser un intervalle d'éclateur. L'électrode peut passer -à travers la tête de brûleur et sortir à travers le manchon extérieur l'entourant, par exemple dans un corps de bougie d'allumage, sur lequel on peut réaliser les agencements classiques 35 pour l'"excitation électrique à l'extérieur du manchon entourant le brûleur. D'autres buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée suivante considérée en liaison avec les dessins annexés représentant à.titre illustratif 40 mais nullement limitatif plusieurs modes de réalisation de 69 34466 3 2031416 l'invention. Sur les dessins : La figure 1 est une vue partiellement en coupe d'une tête de brûleur pouvant être convenablement incorporée dans l'ensemble de brûleur à tube rayonnant de l'invention. 5 La figure 2 est une coupe fragmentaire montrant des détails de la forme de la tête de brûleur de la figure 1 ; La figure 3 est un agrandissement de la tête de brûleur de la figure 1, et La figure 4 est une vue partiellement en coupe qui montre 10 l'action des gaz brûlés dans le tube rayonnant. Sur la figure 1, on a montré l'introduction de l'air à la partie inférieure droite au moyen de ce qui peut être commodément un raccord de tube classique 12. Le raccord de tube peut à son tour être relié à un tube ou manchon 14 de plus grande dimension, 15 à travers une paroi duquel on visse une bougie d'allumage 16. Une électrode 18 de la bougie est prolongée pour passer parallèlement à l'axe du manchon, comme on l'expliquera plus en détail ci-après. Une ouverture est ménagée dans le coude du raccord de tube 20 12 pour laisser passer un raccord de tube 20 qui est plus petit et qui peut être soudé ou scellé d'une autre manière appropriée dans le raccord 12. Une source de gaz (non représentée) est connectée au tube 20. Le tube 20 comporte également une ouverture ménagée dans son coude, pour laisser passer un tube 22 qui peut 25 être en acier ou autre métal peu coûteux. Le tube 22 est bien entendu scellé également dans l'ouverture ménagée dans le tube 20. Un couvercle 24 est vissé sur le tube 22 et son extrémité est hermétiquement fermée par un élément en quartz ou autre matière transparente pour permettre d'observer la combustion à travers le tube 30 22. Une tête de brûleur 28 peut être ajustée axialement dans le tube rayonnant 22, mais lorsqu'on désire limiter la longueur du tube rayonnant, elle peut être ajustée dans un manchon adaptateur de liaison 26 en céramique. Le manchon 26 est fait en "Mul-35 frax" ou autre matériau approprié résistant aux températures élevées/ét comporte des épaulements formés à ses extrémités. L'é-paulement intérieur à l'extrémité à droite de l'adaptateur 26 est ajusté dans le manchon 14, et l'épaulement extérieur à l'extrémité à gauche de l'adaptateur 26 est ajusté sur un tube rayonnant 30. 40 Seule une partie du tube rayonnant- 30 est visible mais on notera 69 5 10 15 20 25 30 35 40 34466 4 2031416 que les diamètres intérieurs de l'adaptateur 26 et du tube rayonnant 30 sont à peu près les mêmes et qu'il n'y a pas de discontinuité entre les deux. On voit plus facilement sur la figure 2 l'interconnexion des divers éléments avec la tête de brûleur 28. Comme on l'a noté plus haut, la tête de brûleur 28 est ajustée serré dans l'adaptateur 26 et l'air arrivant à grande vitesse par l'adaptateur 26 est obligé de tourner de la façon désirée par les ailettes 32 formées sur les surfaces extérieuresAe la tête de brûleur 28. La forme hélicoïdale des ailettes se voit mieux sur la figure 3« En se reportant à la figure 2, on peut voir que le regard d'observation 22 és.t brasé, 'ou scellé en place d'une autre manière, dans la paroi terminale de la tête de brûleur 28 éloignée du côté d'entrée. La conduite de gaz 20, qui peut comporter un épaulement approprié au voisinage de son extrémité est ajustée dans une ouverture ménagée dans la paroi proche de la tête de brûleur et elle aussi est de préférence brasée ou soudée en place. À un point en dehors de l'axe, mais passant à travers les deux parois terminales de la tête de brûleur, se trouve un tube 36 dans lequel est disposé un manchon 38 en matériau isolant céramique, par exemple de l'alundum. Le prolongement d'électrode 18 passe à travers le manchon céramique, jusqu'à un point au-delà de la paroi d'extrémité éloignée où il est recourbé pour former un intervalle d'éclateur. Des ouvertures radiales 40 sont ménagées à travers la paroi cylindrique de la tête de brûleur 28 et comme ceci apparaît clairement sur la figure 3» ces orifices sont espacés le long des canaux hélicoïdaux formés par les ailettes 32. La figure 4 montre d'une manière un peu théorique les effets obtenus par l'invention et résultant du mélange intime, de la combustion presque adiabatique et spécialement de la rotation des produits de combustion ou gaz brûlés lorsqu'ils passent le long du tube rayonnant 30. On notera que la tête de brûleur est évidée dans son manchon céramique à partir de l'extrémité proche du tube rayonnant. En outre, comme on lra noté précédemment, et comme la figure 4 le montre d'une manière évidente, le manchon 26 entourant la tête de brûleur 20 et ajusté serré sur celle-ci, a un diamètre intérieur qui est apparié de manière étroite au diamètre du tube rayonnant 30. Un mélange complet et une combustion complète sont réalisés avant que les gaz brûlés n'atteignent le tube rayonnant et il n'y a pas de discontinuité qui vienne 69 34466 5 2031416 gêner la poursuite de la rotation des gaz brûlés. Plus l'angle fait par les canaux hélicoïdaux avec l'axe de la structure cylindrique est grand et plus courte sera la longueur sur laquelle on peut avoir une distribution de température uniforme. 5 En fait, dans un tube rayonnant typique ayant approximati vement 1,22 mètre de longueur, le courant de gaz brûlés tourne d'environ 10 tours lorsque la tête de brûleur comporte des ailettes ayant un angle d'environ 60° par rapport à l'axe de la tête. On a établi expérimentalement qu'avec un tube d'une longueur de 10 1,22 mètre, d'un diamètre intérieur de 89 mm et d'un diamètre extérieur de 100 mm par exemple, un angle d'ailettes de 60° par rapport à l'axe du brûleur a donné la température la plus élevée les profils de température les plus aplatis et 1'échauffement le plus rapide. On-a réalisé des transferts de chaleur ayant des , x .kiloealories par 15 densites s'elevant jusqu'à 26800/dm3 de volume de tube rayonnant avec des températures de tube de 1676°C et avec un rendement ther mique de 15# mesuré calorimétriquement. On doit également noter qu'on a vérifié la combustion complète par analyse des gaz brûlés sans qu'il y ait prolongement de la flamme au-delà de l'extrémité 20 du tube rayonnant. On peut réaliser une distribution de température uniforme sur des longueurs variant dans un large intervalle de tube rayonnant en choisissant convenablement l'angle des ailettes de façon que la rotation des gaz brûlés se poursuive jusqu1à la fin du tu-25 be rayonnant et que l'élimination de la couche limite soit plus ou moins régulière sur* toute cette longueur et ne soit pas concen trée à l'entrée dans le tube rayonnant. Bien entendu, les vitesses de l'air et du gaz ainsi que d'autres paramètres comprenant le nombre d'orifices 40 et le dia-30 mètre des divers composants sont reliées entre elles ' de façon qu'on peut réaliser divers changements et ajustements pour obtenir la performance optimale. A titre d'exemple, avec une tête de brûleur usinée expérimentale, une vitesse d'air d'environ 97 mètres/seconde et une vitesse de gaz aux orifices d'injection 35 d'environ 56 mètres/seconde ont donné des résultats excellents. En ce qui concerne le nombre des orifices d'injection de combustible, un total de 24 de ces orifices, dont chacun avait un diamètre d'environ 2,36 mm ont donné des performances optimales. Toutefois, lorsqu'il y a des changements de vitesse de l'air, on 40 pourrait faire varier non seulement la dimension mais également 69 34466 6 2031416 le nombre des orifices d'injection de combustible. Bien que les diverses conduites aient été représentées comme étant concentriques, c'est-à-dire la conduite d'admission d'air, la conduite d'admission de gaz, et le regard d'observation 5 qui sont représentées comme étant disposées l'une dans l'autre, il n'est pas indispensable d'adopter cette disposition. Il est toutefois souhaitable de maintenir la conduite d'admission d'air comme enceinte extérieure, non seulement pour former le passage hélicoïdal désiré avec la tête de brûleur mais également pour 10 assurer un effet de refroidissement. L'effet de refroidissement est si prononcé que les températures même en des points situés juste derrière la tête de brûleur sont de plusieurs puissances de 10 inférieures aux températures au tube rayonnant. Il est pour cette raison possible d'employer des matériaux peu coûteux 15 que l'on trouve facilement, comme des tuyaux classiques, ce qui diminue le coût de l'installation au point que l'ensemble brûleur-tube rayonnant et le four qui le comporte se trouvent compétitifs par rapport aux autres types de four et d'ensemble de- combustion à tube rayonnant. 20 Dans certains cas où le refroidissement n'a pas une.grande importance on peut envoyer l'air de combustion préchauffé dans le brûleur à des températures voisines de celle de l'allumage du combustible. Dans ces cas, bien entendu, il serait nécessaire d'employer les matériaux susceptibles de résister à la haute tem-25 pérature de l'air de combustion. En outre, bien entendu, les canaux hélicoïdaux peuvent être formés dans le manchon entourant la tête de brûleur au lieu d'être formés dans la tête de brûleur en elle-même, le point important étant constitué par les ouver- t tures hélicoïdales à l'interface afin de brasser et de faire tour- 30 ner le mélange combustible. La conception du brûleur est telle qu'on peut lui incorporer tout l'équipement classique de sécurité avec le minimum de complications. Finalement, bien que la description précédente ait été limitée aux ensembles à tube rayonnant, il est évident que la présente invention trouve application dans n'importe quels éléments chauffants du type à immersion de forme tubulaire, spécialement ceux où une distribution uniforme de température et une densité élevée de flux de chaleur libéré vers le tube ont une importance. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode opératoire et aux exemples décrits et représentés, et peut recevoir diverses variantes rentrant dans l'esprit et la portée de l'invention. 35 34466 7 203141 Légende des Qf Flgufa Repères 1 A G-az 2 A Gaz » B Air 4 A G-az " B Air 69 34466 8 2031416 REVENDICATIONS 1°) Appareil de chauffage pour tube rayonnant de forme générale cylindrique, caractérisé par le fait qu'il comprend un î? brûleur disposé axialement par rapport au tube pour la combustion d'un mélange combustible, et un moyen associé au brûleur pour mettre les produits de combustion sous forme de courant de gaz brûlés progressant hélicoïdalement à travers le tube rayonnant. 2°) Appareil de chauffage selon la revendication 1, carac-10 térisé par le fait que le moyen associé au brûleur comprend un manchon entourant étroitement le brûleur, des canaux hélicoïdaux étant ménagés à l'interface entre le manchon et le brûleur. 3°) Appareil de chauffage selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour forcer l'air 15 à passer dans des canaux hélicoïdaux et des moyens pour introduire le combustible à angle droit dans lesdits canaux; 4-°) Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend : une source de combustible et une source d'air, le brûleur étant creux et disposé au voisinage 20 d'une extrémité du tube rayonnant, le moyen associé au brûleur comprenant une première série de canaux hélicoïdaux formés sur la surface extérieure du brûleur et une deuxième série d'ouvertures radiales ménagées à travers elles, les ouvertures étant disposées en des points espacés dans lesdits canaux, des moyens 25 forçant l'air provenant de la source précitée à travers ces canaux hélicoïdaux, et des moyens forçant le gaz provenant de la source précitée à travers les ouvertures radiales afin d'obtenir un mélange de l'air et du gaz dans ces canaux et d'imprimer au mélange une rotation, des moyens étant disposés au voisinage du 30 brûleur pour allumer le mélange et mettre le mélange en rotation sous la forme de courant de gaz brûlés progressant hélicoïdalement à travers le tube rayonnant. 5°) Appareil de chauffage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le brûleur a, en coupe transversale, une 35 forme générale cylindrique, et qu'il comprend en outre un manchon ayant sensiblement le même diamètre intérieur que le tube rayonnant, qui entoure le brûleur et est aligné avec le tube rayonnant. 6°) Appareil de chauffage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les canaux hélicoïdaux font un angle 40 d'environ 60° avec l'axe du brûleur. 69 34466 9 2031416 7°) Appareil de chauffage selon la revendication 5» caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens reliant l'intérieur de la tête de brûleur à la source de combustible et des moyens reliant l'intérieur du manchon à la source d'air, l'écoulement 5 de l'air assurant un effet de refroidissement sur ces moyens de liaison. 8°) Appareil de chauffage pour tube rayonnant, caractérisé par le fait qu'il comprend une source de combustible et une source de gaz comburant, l'appareil étant combiné avec un moyen pour 10 mélanger et allumer le combustible et le gaz comburant afin de produire des courants hélicoïdaux de gaz brûlés venant frapper sur la paroi intérieure sur une longueur finie du tube rayonnant.