Brevet FR2238118A1 — publié le 19750214

La présente invention est relative à un brûleur à gaz comportant une chambre e combustion présentant d'un côté au moins un injecteur pour l'introduction, dans cette chambre, d'un gaz combustible et d'un gaz comburant, et1 du côté opposé au côté susdit, un orifice de sortie pour les gaz de combustion. Les types de brûleur de ce genre, connus jusqu'à présent, présentent comme inconvénient essentiel que leur puis sance thermique ne peut varier qu'entre des limites relativement étroites, ce qui nécessite automatiquement la réalisation de plu sieurs types de brûleurs, si n veet~toWvrir ure~larye~~~g-amme de puissances thermiques. Un des buts essentiels de l'invention est de re médier à cet inconvénient. A cet effet, suivant l'invention, les parois de l'injecteur sont réalisées en une matière céramique réfractaire, cet injecteur étant profilé de manière à diriger au moins une partie du gaz combustible et du gaz comburant vers un endroit de convergence situé dans la moitié de la longueur de la chambre de combustion du côté de l'injecteur. Un brûleur répondant à ces conditions techniques permet de fixer la zone de début de la combustion et d'obliger une-bonne partie de-la combustion-à commencer plus ou moins au point de convergence susdit, donq d'utiliser, plus complètement le volume de la chambre. De ceci résulte automatiquement une augmentation de la puissance thermique du brûleur qui peut etre développée dans la chambre de combustion. Comme la puissance ther mique minimum d'un tel brûleur n'est pas augmentée, la gamme de puissances de ce brûleur est donc élargie.Ainsi, un tel brûleur choisi au préalable permet de répondre plus sûrement aux be soins thermiques réels ; autrement dit, les besoinssthermiques réels peuvent varier entre des limites plus écartées que celles prévues à la conception d'un four à équiper de ces brûleurs. Un autre avantage est donc également qu'un fa bricant, pour couvrir une étendue bien déterminée de puissances thermiques, peut normaliser un nombre plus réduit de brûleurs type, ce qui permet automatiquement de pouvoir se contenter d'un nombre de pièces de rechange plus limité pour couvrir les besoins. Une des caractéristiques importantes du brûleur suivant l'invention e-st qu'au moins les parois de l'injecteur sont en une matière céramique réfractaire. En effet, la tempéra- ture s'y trouve élevée en raison. du taux de combustion très complet. C'est ainsi que les parois métalliques couramment utilisées pour la construction d'injecteurs de brûleurs ne résisteraient pas à cette température si elles n'étaient pas refroidies par de l'eau. Un tel refroidissement est cependant à éviter étant donné que ceci s'accompagne d'une perte de la puissance du brûleur et nécessite, bien entendu, une installation supplémentaire. On utilise avantageusement des matières céramiques réfractaires ayant une résistance pyroscopique supérieure à 1800"C. Avantageusement, l'ouverture de sortie desdits injecteurs présente l'allure d'un anneau. Une telle exécution des parois de l'injecteur a comme avantage important de limiter le risque de retour de flamme en freinant la mobilité des particules gazeuses nécessaire à la propagation de la flamme. Par un orifice annulaire, forcément moins large que l'orifice non annulaire de section équivalente, la quantité de rayonnement transmise vers cet orifice est plus , limitée car cette quantité est une fonction directe de l'angle maximum qui peut être inscrit dans cet orifice. Le rayonnement calorifique pénètre donc moins facilement dans un orifice annulaire que dans un orifice correspondant non annulaire, ce qui diminue également le risque de retour de flamme. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, l'injecteur est muni de moyens de réglage de sa section de passage pour les gaz vers la chambre de combustion. Ces moyens peuvent être soit manuels soit commandes automatiquement. Grâce à ces moyens on-peut encore élargir la gamme des puissances différentes qui peuvent être utilisées avec un même brûleur. ta possibilité de faire varier la section de passage de l'injecteur permet de modifier la puissance nominale du brûleur sans nécessiter le remplacement d'une pièce quelconque. Selon une forme de réalisation préférentielle de l'objet de l'invention, des moyens sont prévus pour alimenter l'injecteur par un mélange de gaz combustible et de gaz combu rant, suivant des porportions prédéterminées. Ceci permet d'augmenter considérablement la puissance thermique du brûleur tout en évitant que la combustion se prolonge pour une partie importante au-delà de la chambre de combustion, par exemple dans le four, ce qui aurait divers inconvénients, tels-qu'une possibilité de réaction oxydante ou réductrice sur les produits traités dans le four en cause. Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le brûleur suivant l'invention comprend un injecteur secondaire débouchant dans la chambre de combustion en un endroit de la paroi de cette dernière entouré par l'ouverture de sortie susdite en forme d'anneau de l'autre injecteur, constituant l'injecteur principal.Une fonction importante de cet injecteur secondaire est de remplir le volume de la chambre de combustion situé en amont de l'endroit de convergence en y évitant la création d'une dépression qui aurait tendance à établir un régime pulsatoire qui notamment accroîtrait le risque de-retour de flamme. Une autre fonction est de limiter la turbulence à l'endroit de convergence du premier injecteur ou injecteur principal en favorisant le départ des gaz qui y-arrivent vers l'orifice de sortie de la chambre de combustion. D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description établie ci-après d'une forme de réalisation de l'invention avec référence aux dessins annexés et données uniquement à titre d'exemples non limitatifs La figure 1 est une vue schématique, en élévation et en coupe, suivant la ligne I-I de la figure 2, d'une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 concerne un graphique reprenant en ordonnée la vitesse de combustion en m/sec. du mélange gaz air introduit dans le brûleur par l'injecteur principal et en abscisses le rapport air/gaz combustible admis au brûleur, et elle mon tre deux courbes combustibilité d'un même mélange gazeux res- pectivement à 200C et 1000C. Dans les différentes figureS les mêmes chiffres de référence se rapportent à des éléments idéntiques ou analogues. te brûleur, suivant l'invention, montré aux figures 1 et 2 comprend une chambre de combustion 3 présentant d'un côté deux injecteurs-l et 2 pour l'alimentation de cette chambre 3 par un gaz combustible et un gaz comburant et, du côté opposé au côté susdit, un orifice de sortie 6 pour les gaz de combus tionte Au moins les parois de l'injecteur 2 sont réalisées en une matière céramique réfractaire. L'injecteur 2 est profilé de manière à diriger au moins une partie du gaz vers un endroit de convergence 7 situé dans la moitié de la longueur de la chambre de combustion du côté des injecteurs 1 et 2. L'injecteur, à-proximité de son ouverture de sortie annulaire 8, s'étend suivant les surfaces de deux cônes sensiblement coaxiaux dont le sommet se situe aux environs de l'endroit de convergence 7 susdit et dont l'axe colncide avec celui de -la chambre 3. La surface du cône intérieur délimite dans la paroi de la chambre de combustion un noyau en matière réfractaire 5 qui est-traversé, suivant son axe coincidant avec l'axe longitudinal de la chambre de combustion 3, par l'injecteur -1, appelé injecteur secondaire. Cet injecteur comprend un tube métallique 12, coaxial à la chambre de combustion 3, qui entre dans le noyau susdit 5 approximativement jusqu'à la moitié de l'épaisseur de ce dernier et qui est alors prolongé par un canal 13, dont le diamètre correspond au diamètre intérieur du tube métallique et qui s'étend jusqu'à la chambre de combustion 3. Ainsi, on protège le tube métallique contre la chaleur de rayonnement du four tout en assurant un écoulement laminaire des gaz passant par le tube 12 et le canal 13 de l'injecteur 1. Le tube 12 est monté à coulissement dans des supports 14 pour permettre le déplacement susdit dans le sens des flèches 9. Suivant l'invention, ce noyau 5 constitue un détail avantageux du brûleur qui permet la dilatation et la contraction des parties soumises à des variations importantes de température sans que ceci puisse présenter un inconvénient pour ltétanchéité du brûleur Toutes les parties de la chambre sont soumises à des températures élevées y compris celles du côté de la chambre de combustion situées à proximité de l'endroit de convergence où la chaleur de radiation est aussi très importante. Le noyau 5, qui est solidaire du tube 12, est mobile suivant l'axe de la chambre de combustion 3, c'est-à-dire dans le sens des flèches 9, de manière à pouvoir régler la section de passage annulaire du gaz arrivant dans la chambre de combustion par l'ouverture 8. Les injecteurs 1 et 2 sont de pré-férence branchés sur un mélangeur, non représenté, pour le gaz combustible et le gaz comburant. Un tel mélangeur- permet donc d'introduire dans la chambre de combustion un mélange parfaitement homogène de gaz combustible et comburant et ceci suivant des rapports -bien déterminés préétablis. Comme l'injecteur principal 2, l'injecteur secondaire 1 est avantageusement orienté vers l'endroit de convergence 7, de sorte que les gaz sortant de l'injecteur 1 soient également orientés vers cet endroit. Dans ces conditions, suivant ltinvention-, une cellule 10 sensible aux rayons ultra-violets, pour le contrôle de la combustion, est montée dans l'extrémité libre du tube 1Z, opposée à celle montée dans le noyau 5. Ainsi, ce contrôle a lieu à l'endroit de convergence ou éventuellement entre l'injecteur 1 et cet endroit, c'est-à-dire où la flamme prend naissance, Quoique) pour la simplicité de la construction, l'on ait intérêt à prévoir une alimentation commune en gaz combustible et comburant pour les deux injecteurs 1 et 2 dans certains- cas, il est utile suivant l'invention, d'équiper le brû leur àson injecteur secondaire lde moyens d'alimentation des mélanges combus- tible et comburant de compositions. voisines et de préférence lé gèrement supérieures à la composition stoechiométrique, et à l'injecteur principal 2, des moyens d'alimentation d'un gaz d'une autre composition, oxydante ou réductrice suivant le traitement à effectuer dans le four sur lequel le brûleur -eet monté. La composition du mélange de gaz envoyé dans l'injecteur princi pal ne doit pas nécessairement être située dans les limites de combustibilité à la température d'injection. La composition stoechiométriqu-e entraîne une combustion plus aisée et un taux de combustion plus élevé, l'alimentation en gaz d'une autre composition donnant au brûleur une grani flexibilité tout en maintenant, dans une certaine mesure, les avantages de la composition stoechiométrique. Parmi les applications possibles, on peut citer l'addition d'air chaud ou non, lorsqu'on désire augmenter le volume des gaz émis par le brûleur et/ou abaisser leur température et/ou les rendre très oxydants et/ou récupérer-de l'air chaud. Dans d'autres cas, on injectera un gaz neutre ou réducteur pour obtenir les mêmes effets sauf l'effet chimique de l'atmosphère. Par ces moyens, on peut obtenir une combustion, alors que l'en- semble des gaz injectés serait hors des limites de combustibilité sans l'utilisation de ces moyens. Ce procédé d'alimentation des deux injecteurs peut s'expliquer facilement à l'aide du graphique montré à la figure 3. Ce graphique montre à titre d'exemple deux courbes donnant, pour une température déterminée, respectivement 20 et 1000C, les vitesses de combustion en m/sec. d'un mélange de gaz combustible-comburant admises en.fonction du rapport gaz comburant/gaz combustible dans ledit mélange pour que ce dernier puisse s'enflammer. Ces courbes présentent donc un maximum, ce maximum correspondant généralement à une composition d'un mélange de gaz combustible-comburant avec un léger excès de gaz comburant par rapport à la composition stoechiométrique. En supposant qu'on désire obtenir? dans le four, une atmosphère oxydante, on peut introduire dans le brûleur, par l'injecteur principal 2, un mélange de gaz avec un grand excès de gaz comburant, qui est par exemple de l'air, de sorte qu'à la température d'injection, qui est supposée par exempêe de 200C, ce mélange soit situé en dehors des limites de combustibilité. Ce mélange, qui est par exemple introduit à une vitesse V1 dans le brûleur, est représenté par le point A sur le graphique, ce point n'étant donc pas situé sur la courbe de tem pérature = 200C. Grâce au fait que par l'injecteur secondaire 1 un mélange de gaz de composition sensiblement stoechiométrique est dntroduit dans le brûleur et dirigé vers le point de convergence des gaz entrant par l'injecteur principal 2 et grâce à la température élevée qui y règne le mélange de gaz injecté par ce dernier dans le brûleur s'enflamme tout de même. En effet, le gaz introduit dans le brûleur par l'inJecteur 2 est directement chauffé à une température, par exemple de la00C, de sorte que ledit mélange est maintenant représenté par le point B sur la courbe pour la température de 1000C et devient donc inflammable. Un raisonnement entièrement analogue est valable si, par l'injecteur principal 2, on introduit dans le brûleur un gaz réducteur c'est-à-dire avec un excès de gaz combustible très important. La chambre de combustion est constituée de deux parties essentielles, à savoir, du côté opposé à celui présentant Itorifice de sortie 6, une partie 15 en forme d'hémisphère, dans la paroi de laquelle aboutissent les deux injecteurs 1 et 2, et une seconde partie 16 présentant la forme d'un tronc de cône dont la grande base est accolée à la partie en forme d'hémisphère et dont la petite base est matérialisée par l'ouverture de sortie 6. Le brûleur représenté aux figures I et 2 concerne donc un brûleur du type dit "à chambre de combustion fermée" out impulsiod'. I1 y a lieu de noter que-l'invention,quoique non limitée à de tels types de brûleurs, présente un intérêt tout particulier pour les brûleurs où les gaz de combustion entrent dans le four avec une vitesse relativement élevée et de l'ordre de 100 m/sec. ou plus. te centre de la courbure de la paroi hémisphérique est situé à proximité de l'endroit de convergence des gaz sortant de l'injecteur 2 et de- préférence exactement dans cet endroit. En effet, grâce à cette forme particulière de la paroi autour de l'endroit de-convergence, une certaine quantité de la chaleur de rayonnement est concentrée à cet endroit de convergence et favorise donc la combustion. Un dispositif d'allumage à arc électrique formé, dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 et 2, par-une bougie 11 est prévu dans l'injecteur secondaire 1. Cette bougie permet donc d'allumer un mélange de gaz combustiblecomburant introduit dans l'injecteur lors de la mise en marche du brûleur. Ceci évite donc B nécessité de prévoir une veilleuse, comme dans certains types de brûleurs. t'angle formé entre l'axe de la chambre de combustion 3 et la génératrice des cônes déterminant la forme de l'injecteur annulaire 2, peut varier dans de larges limites et peut même éventuellement dépasser 909. Toutefois, il semble que les meilleurs résultats soient obtenus si l'angle est compris entre 30 et 600. Les limites de réglage de la puissance calorifique sont fonction des caractéristiques et réglages possibles des injecteurs 1 et 2 et de la pression minimum et maximum. d'alimentation' en mélange gaz còmbustible-gaz comburant de ces injecteurs. Un avantage remarquable du brûleur suivant-l'invention est qu'il permet de descendre, sans retour de flamme, à des pressions très faibles, de l'ordre de 2 mm de colonne d'eau par exemple dans un cas déterminé, alors que pour les brûleurs classiques il n'est pas possible de descendre sans danger de retour de flamme en dessous de 20 mm. de colonne d'eau, Afin de pouvoir descendre en puissance-calori- fique en dessous du débit total de mélange de gaz combustiblegaz comburant qui risque de provoquer le retour de flamme, il est possible de prévoir, dans le brûleur, la faculté de n'admettre le mélange que dans l'injecteur annulaire et. même, le cas échéant, de diminuer la section de celui-ci pour en diminuer le débit.Pour atteindre une puissance calorifique minimum, on peut d'ailleurs réduire à 0 cette section annulaire en utilisant dans ce cas uniquement l'injecteur secondaire 1. Il résulte, par conséquent, de ce qui précède, que le débit thermique du brûleur suivant l'-invention est réglable dans de très grandes limites sans risque de retour de flamme. I1 est, en effet, possible de choisir et de régler les sections de sortie des injecteurs 1 et 2 compte tenu de la vites se de combustion du gaz combustible utilisé. Grâce à l'utilisation éventuelle de vannes mélangeuses doseuses d'un type appropriés non représentées, le rapport de gaz comburant au gaz combustible du mélange admis à tous les brûleurs d'une même rampe reste constant quand le débit de la rampe en cause varie. I1 est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisations décrites et que bien des variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre du présent brevet. c'est ainsi, par exemple, que l'invention couvre également les brûleurs ne présentant qu'un injecteur principal provoquant des jets dirigés vers un même endroit de convergence. REVENDICATIONS 1. Brûleur à gaz comportant une chambre de combustion présentant d'un côté au moins un injecteur pour l'introduction, dans cette chambre, d'un gaz combustible et d'un gaz comburant et, du côté opposé au côté susdit, un orifice de sortie pour les gaz de combustion, caractérisé en ces que les parois de l'injecteur sont réalisées en matière céramique réfractaire, cet injecteur étant profilé de manière à diriger au moins une partie du gaz vers un endroit de convergence situé dans la moitié de la longueur de la chambre de combustion du côté de l'injecteur. 2. Brûleur suivant la revendication-l, caractérisé en ce que les parois de I'infecteur susdit sont réalisées en céramique réfractaire de résistance pyroscopique supérieure à 18000C, 3. Brûleur suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ouverture de sortie dudit injecteur présente l'allure d'un anneau. 4. Brûleur suivant la revendication 3X caractérisé en ce qu'au moins les parties de paroi de l'injecteur situées à proximité de l'ouverture de sortie de ce dernier s'étendent suivant les surfaces de deux cônes sensiblement coaxiaux, dont le sommet se situe aux environs de l'endroit de- convergence susdit. 5. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'injecteur est muni de moyens de réglage de sa section-de passage pour le gaz vers la chambre de combustion. 6. Brûleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un noyau en matière réfractaire entouré par l'ouverture de sortie, en forme d'anneau, de l'injecteur, ce noyau étant mobile, suivant l'axe dudit anneau, de manière à pouvoir régler la section de passage susdite du mélange gazeux par cet anneau. -7, Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour alimenter l'injecteur par un mélange de gaz combustible et de gaz comburant. 8. Brtieur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un injecteur secondaire débouchant dans la chambre de combustion, à un-endroit de la paroi de cette dernière entouré par l'ouverture de sortie susdite en forme d'anneau de l'autre injecteur, constituant l'injecteur principal. 9. Brûleur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'injecteur secondaire est dirigé vers l'endroit de convergence susdit. 10. Brûleur-- suivant l'une ou l'autre des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'axe de l'injecteur secondaire susdit colncide avec l'axe de l'injecteur présentant une ouverture de sortie annulaire. 11. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que des moyens sont prévus -pour alimenter les deux injecteurs susdits par des gaz de composition différente. 12. Brûleur suivant la revendication 11, caractérisé en ce que des moyens sont prévusss d'une part, pour alimenter l'un des injecteurs par un mélange de gaz inflammable, de préférence mélange dans lequel la proportion en gaz comburant est légèrement supérieure à celle donnée par la composition stoechiométrique gaz comburant-gaz combustible, d'autre part, pour alimenter l'autre injecteur par un gaz dont la composition n'est pas- tuée dans les limites de combustibilité à la température d'injection. 13. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation des deux injecteurs susdits sont communs. 14. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications I à 13, caractérisé en ce que le côté de la chambre de combustion opposé à celui présentant l'orifice de sortie de cette dernière présente une allure substantiellement hémisphérique. 15. Brûleur suivant la revendication 14, caractérisé en cé que-l'endroit de convergence susdit est situé à proxi- mité du centre de cette partie hémisphérique. 16. Brûleur suivant l'une quelconque des reven dications 1 à 15 caractérisé en ce que l'orifice de sortie de la chambre de combustion a une section plus réduite que sa sec tion maximum. 17. Brûleur suivant l1une quelconque des revendications 8 a 16, caractérisé en ce qu'un dispositif d'allumage à arc électrique-est prévu dans l'injecteur secondaire. 18. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 8 à 17, caractérisé en ce qu'une cellule sensible aux rayonnements ultra-violes est prévue pour b contrôle de la combustion à l'endroit de convergence susdit et tout au plus dans l'environnement direct de cet endrpit. 19. Brûleur suivant la revendication 18, caractérisé en ce que la cellule susdite est logée dans l'injecteur secondaire. 20-. Four équipé d'un brûleur tel que décrit dans les revendications 1 à 19.