Brevet FR2278041A1 — publié le 19760206

La présente invention concerne les réchauffeurs tubulaires de gaz pour les fours de traitement chimico-thermique du métal dans l'atmosphère contrôlée et, plus précisément, les tubes à radiation à bout fermé. On connaît déjà un tube à radiation à bouffermé, comportant un tube central à combustible, un tube à air intermédiaire et perforé et un tube extérieur à radiation, disposés coaxialement ainsi qu'un bruleur à gaz situé près de la face extrême ou d'about du tube extérieur à radiation. le tube à radiation à bout fermé, pour gaz, déjà connu présente toute une série de défauts notables. Par exemple, la conception du brûleur à gaz sous la forme d'un cône mélangeur à l'extrémité du tube à combustible et du tube à air ne permet pas de réduire sensiblement le jeu entre ceux-ci. De même, il n'est pas prévu, selon ce dispositif, l'évacua- tion d'une partie d'air par la surface extrême ou d'about du tube à air, ce qui réduit l'efficacité de refroidissement du tube à air suivant toute sa longueur et surtout dans sa partie d'about. De plus, le bruleur à gaz ne possède que des orifices axiaux pour l'amenée du combustible, ce qui aboutit, en pratique, à l'accumulation intense de la suie sur le tube à air. La répartition régulière des orifices le long du tube à air n'assure pas un chauffage uniforme du tube extérieur à radiation, le rapport entre la température maximale et la température minimale étant de 1,2 à 1,3; ceci exclut l'utilisation des tubes à radiation dans les fours thermiques. La récupération de la chaleur des gaz brûlés n'est enfin pas mise en oeuvre et, de ce fait, le rendement du tube à radiation n'atteint que 45-50%. Pour supprimer les défautz mentionnés ci-dessus, la demanderesse a de'jà présente un tube du gaz à radiation à bout fermé (brevet d'invention N 251743, URSS) qui comporte de flé- ment disposés coaxialement : un corps extérieur à radiation et un tube à air, dont les paroi. forment une chambre de combustion, un tube central à gaz amenant le combustible gazeux à la chambre ce combustion; le tube à air ayant un fond perforé situé à ai le distance du fond du corps à radiation, un secteur perforé sur les parois latérales pour le passage du courant d'air refoulé de l'extrémité extérieure du tube à air dans la chambre de combustion et un récupérateur placé à proximité du secteur perforé dans la zone de sortie des gaz brillés de la chambre de combustion. Un inconvénient essentiel de cette conception du tube à radiation réside dans le chauffage superflu du tube central à combustible et des gaz dans celui-ci près de l'extrémité fermée du tube extérieur à radiation, jusqu'à la température proche de celle de la surface de radiation. Il en résulte, la décomposition thermique du gaz naturel et le colmatage du tube central à combustible par le carbone libre Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus ainsi que les autres inconvénients non cités. On s'est proposé de mettre au point une construction fiable et hautement efficace du réchauffeur de gaz à radiation, grâce à l'amélioration du refroidissement du tube central à combustible en évitant le précipitation de la suie dans celuici. Le réchauffeur de gaz, à radiation, conforme à la présente invention, comportant des éléments disposés coaxialement un corps extérieur à radiation et un tube à air, formant une chambre de combustion; un tube central amenant le combustible gazeux dans la chambre de combustion, ledit tube à air ayant un fond perforé et se trouvant à faible distance du corps de radiation, les parois latérales perforées également pour le passage de l'air refoulé à l'extrémité extérieure dans la chambre de combustion et un récupérateur adhérant à ce secteur perforé, par où sortent les gaz brulés de la chambre de combustion, se caractérise par le fait qu'à l'intÉrieur du tube à air est menace un canal dirigeant l'air refoulé de l'extrémité extérieure, tout d'abord le long du tube central à combustible gazeux jusqu'audit tond du tube d'air t, puis, dans le sens bwerse, le long desdites paroi perforé du tube à air. Ce perfectionnement donne la possibilité de refroidir plus efficacement le tube central à z par le courant initial d'air chauffé Une autre modification du réchauffeur de gaz à radiation, selon la présente invention, diffère, en outre, par ledit que dans l'enceinte du tube à air, entre ses parois perforées et le tube central à combustible gazeux est fixée, coaxialement une cloison tubulaire, dont l'une des extrémités est ouverte et se trouve à quelque distance du fond du tube à air permettant ainsi le passage du courant d'air depuis l'enceinte de la cloison jusqu'aux parois perforées tandis que l'autre extrémité reste ouverte pour le refoulement du courant d'air initial dans l'enceinte de la cloison tubulaire et est jointe étroitement au tube d'air, pour fermer à cet endroit l'espace entre la cloison et les parois perforées. Une telle solution technique permet de réaliser, par des moyens simples du point de vue de construction, le détour de 1800 du courant d'air initial près du fond du tute à air. Pour éviter l'aspiration des gaz de combustion dans le collecteur d'air, la distance entre l'extrémité inférieure de la cloison tubulaire et la première rangée d'orifices du tube à air est choisie en partant de l'inégalité où : 1 est la distance entre la première rangée d'orifices et l'extrémité de la cloison tubulaire; d1 est le diamètre intérieur du tube à air; d2 est le diamètre extérieur de la cloison tubulaire. Cette modification de construction interdit l'aspiration indésirable des produits combustibles depuis la chambre de combustion à l'enceinte du tube d'air et, par conséquent, exclut l'échauffement excessif de la cloison tubulaire et du tube central à gaz. Afin d'éviter la précipitation de la suie dans le tube à combustible gazeux et de réduire son chauffage, le tube central à combustible gazeux a un diamètre ne dépassant pa/0,03 d ex (dex étant le diamètre extérieur du corps à radiation). Enfin, suivant la présente invention, la distance entre le corps extérieur à radiation et le tube d'air n'est pas supérieure à sept fois le diamètre des orifices du secteur perforé du tube à air. Une telle modification permet d'intensifier l'échange de chaleur dans la chambre de combustion et, par conséquent, de réduire la température dans la chambre et exclut la possibilité de surchauffe-des éléments intérieurs. Ainsi, le réchauffeur de gaz à radiation, se caractérise par une sûreté élevée qui s'obtint par le refroidissement efficace du tube central à combustible. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre en se reportant à la figure unique annexée donnée uniquement à titre d'exemple. Comme on le voit sur cette figure, le réchauffeur de gaz, à radiation comporte les éléments suivants disposés coaxialement : un corps extérieur 1 à radiation, un tube à air 2 avec récupérateur 3 ayant un secteur perforé 4, une cloison tubulaire intermédiaire 5 et un tube central 6 à combustible gazeux. A l'endroit de la division du tube à air 2 en récupérateur 3 et secteur perforé 4, on trouve une bague 7 qui obstrue le canal annulaire 8 entre la cloison tubulaire 5 et le secteur perforé 4 du tube à air 2 Le long du secteur 4 du tube à air 2 sont percés, de façon régulière, des orifices 9. La partie inférieure de secteur perforé 4 du tube à air 2 se termine par un fond 10 également perforé. Le corps extérieur 1 à radiation et le tube à air 2 forment une chambre de combustion 11. le fonctionnement du tube de gaz à radiation est le suivant L'air refoulé dans le réchauffeur gaz à radiation et traversant le récupérateur 3 du tube à air 2 s'échauffe jusqu'à 400-700 C (suivant le rendement du réchauffeur); il parvient ensuite au canal annulaire 8 formé par le tube central 6 à combustible gazeux et la cloison tubulaire 5.Une partie de cet air sort par les orifices 9 du fond 10 tandis que l'autre partie tourne de 1800 et parvient au canal annulaire 8 formé entre la cloison tubulaire 5-et le secteur perforé 4 du tube à air 2, où cet air se répartit à travers les orifices 9 Le courant des gaz, passant du bout fermé du corps extérieur 1 à radiation vers la sortie, est traverse par plusieurs jets d'air, ce qui assure un brassage intense et la combustion complète des gaz. Le refroidissement efficace du tube central 6 à combustible gazeux est réalisé du fait que toute la masse d'air baigne celui-ci avant d'etre répartie par les orifices 9 du secteur perforé 4 du tube d'air 2. De plus, la cloison tubulaire 5 réduit pour ainsi dire de d:ux fois l'intensité de rayonnement du tube à air 2 vers le tube central 6 à combustible gazeux. D'après les données expérimentales (la Povah J.L. "Expérien@@ aérodynamique dans les constructions des machines, M.-L., 1965), la perte de pression dûe au déteur de l'air de 1800 (voir le dessin) est égale aux quatre pression cinétiques, ce qui correspond au rgtrécissement double de la section de courant Ce rétrécissement d@ ble d 1, section de courant. Ce rétrécissement du courant se produit grâce à la formation de la zone de décollement près de la cloison tubulaire 5, directement après le détour La section de la zone de décollement constitue la moitié de toute la section du canal annulaire 8. fz/f = 0,5 où : f z est la section de la zone de décollement; et Nf la section du canal annulaire 8. Si h z désigne la hauteur de la zone de décollement, on aura 2 2 (d2 + 2hz) - d2 z = = 0,5 d2 - d2 1 2 où : d1 est le diamètre intérieur du tube intermédiaire à air; et d2 le diamètre extérieur de la cloison tubulaire. On en déduit 2 = 0,7 2 dl + d2 z =07d + d 2h , 1 2 - 3 L'étude des zones de décollement (G. Abramovitch, Théorie des courants turbulents", Fizmatguiz, 1960) a montré que la dimension longitudinale (lz) de 1 zone de décollement est approximativement six fois plus grande que la dimension transversale (hz). Donc, lz#6h2 = 2,1 Conformément à nos données expérimentales, la pression statique négative dans le canal annulaire 8 du ré chauffeur de gaz, à radiation avec diamètre de corps extérieur à radiation de 180 mm (d = 92 mm, d2 = 63 mm) a été observée à une distance de 25 mm au plus de l'extrémité de la cloison tubulaire 5. Donc la présence des orifices 9 sur le secteur perforé 4 aboutira à la pénétration des constituants combustibles, dans le canal annulaire 8, dont la combustion provoquera la surchauffe (brûlage) de la cloison tubulaire 5 et du tube central 6 à combustible gazeux. Le calcul , d'après la formule mentionnée ci-dessus de la longueur de la zone de décollement (1z) , donne une valeur de 46 mm, la zone de pression négative (1) constituant la moitié de toute la zone de décollement L'absencedes orifices dans cette zone exclut l'aspiration des constituants combustibles dans le canal annulaire. le choix du diamètre optimal du tube central 6 à combustible gazeux est déterminé par les considérations suivantes. L@ quantité de gaz arrivant au tube à radiation se détermine, d'une parut, à partir des conditions de l'échange extérieur de chaleur et , de l'autre cote, par 1 condition de passage des gaz dans le tube central à combustible gazeux où B étant la consommation du gaz g , la puissance calorifique du ré chauffeur à radiation en kcal/m h l, la longueur de la partie utile du réchauffeur à radiation, en m; dex., le diamètre du corps extérieur à radiation de chaleur, en m; din., le diamètre intérieur du tube central à combustible gazeux, en m; QP, le pouvoir calorifique du combustible, kcal/m3; la la durée de séjour du combustible dans le tube central, en S;; # , le rendement du réchauffeur à radiation (~0,7). Approximativement, la puissance calorifique minimale des réchauffeurs à radiation est égale à 8000 kcal/m h. On a établi par des essais spéciaux que, pour chaque température de la paroi du tube central à combustible gazeux, il existe un certain temps minimal de séjour du combustible dans céui-ci, pendant lequel la réaction de la décomposition thermique du combustible n'aboutit pas au dégagement du carbone libre (suite). Ainsi, pour la température de paroi de 8500C, la durée minimale de séjour du gaz naturel dans le tube central à combustible gazeux est de 0,5 s. Il en résulte que le diamètre intérieur optimal du tube central à combustible gazeux se détermine parle rapport soit d'où : fle cette façon, afin d'éviter la précipitation du carbone libre (suie) dans le tube central à combustible gazeux, son diamètre intérieur est choisi en tenant compte de l'inégalité La largeur de la chambre de combustion formée p-r le corps 1 à radiation et le secteur perforé 4 du tube d'air 2 une influence considérable sur l'échange de chaleur. On a prouvé empiriquement que, pour une lergeur de la chambre de combustion égale à sept fois le diamètre des ordfices d'air 9, le secteur perforé 4 ne s'échauffe pas excessivement.Si on augmente la largeur de la chambre de combustion 11, le dégagement de chaleur par les flambeaux dim-nue, la température dans la chambre de combustion s'accroît et, par conséquent, la température du tube à air et du tube central 6 à combustible gazeux s'élève. En tenant compte des conditions mentionnées ci-dessus, le réchauffeur de gaz, à radiation est exploité, d'une manière sûre, dans les processus thermiques aux températures aux fours allant jusqu'à 9500C. Bien entendu, l'invention 'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représe@té 'est été do@@és qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci @@t exévutées s@ivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1.Réchauffeur de g z, à radiation, comportant des éléments disposés coaxialement : un corps extérieur à radiation de chaleur et un tube à air, formant pr leurs parois une chambre de combustion, un tube central à gaz amenant le combustible gazeux dans le chambre de combustion; ledit tube étant pourvu, d'un fond perforé et situé à faible distance et se trouvant distancé du fond du corps de radition de chaleur, des perforations dans les parois latérales pour le passage de l'air, refoulé de son extrémité extérieure, dans la chambre de combustion et d'un récupérateur, adhérant à ce secteur perforé, à la sortie des produits de combustion depuis la chambre de combustion, caractérisé par le fait qu'à l'intérieur du tube à air est amenagé un canal pour diriger l'air, refoulé de l'extrémi- té extérieure, tout d'abord le long du tube central à gaz jusqu'audit fond du tube d'air puis, dans le sens inverse, le long desdits parois perforées du tube d'air. 2. Réchauffeur de gaz, à radiation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'enceinte du tube à air, entre ses parois perforées et le tube central à gaz, est installée coaxlalemait une cloison tubulaire intermédiaire, dont l'une des extrémités est ouverte et est située à quelque distance du fond du tube d'air laissant lepassage au cort at d'air depuis l'enceinte de la cloison vers les parois perforées et dont l'autre extrémité est ouverte pour le refoulement du courant d'air initial dans l'enceinte de la cloison tubulaire et est jointe étroitement au tube d'air pour fermer sur ce secteur, l'espace entre la cloison et les parois perforées. 3. Réchauffeur de gaz, à radiation, selon lu revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l distance entre l'extrémité inférieure de le cloison tubulaire et les premiers orifices du tube d'air t choisie compte tenu de la relation suivante o lest la distance entre 1 première rangée d'orifices et l'extrémité de la cloison tubulaire; d est le diamètre intérieur du tube d'cir d2 est le diamètre extérieur de la cloison tubulaire 4. Réchauffeur de gaz, à radiation, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé n r le fit que le diamètre du tube central à combustible ne dépasse pas 0,03 ou: d est le diamètre extérieur du tube extérieur de radiation. 5. Réchauffeur de gaz,a radiation, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé pcr le fait que la distance entre le corns extérieur à radiation et le tube à air intermédiaire est inférieure ou égale à sept fois le diamètre des orifices d'air du secteur perforé du tube à air.