Brevet FR2401106A1 — publié le 19790323

La présente invention, bien que générale ment applicable à tout système de préchauffage de gaz de combustion, relève plus particulièrement du domaine des fours de production de sphères, ou billes, de verre. I1 est connu de produire des billes de verre en introduisant des particules de verre concassé dans une tuyère verticale. La tuyère est pourvue d'une source de chaleur, ou foyer, à son extrémité inférieure,qui peut être normalement la flamme étalée produite par une série de brûleurs ; puisque les gaz en combustion montent, ils débouchent dans une chambre d'expansion et entrainent avec eux les particules de verre qui se ramolissent, de telle sorte que sous l'effet de la tension superficielle les particules prennent la forme de sphères. De tels systèmes de production de billes sont décrits de façon plus détail Iée,par exemple dans les brevets américains 2 619 776 délivré le 2 Décembre 1952 à Rudolph H. Potters, et 2 945 326 délivré le 19 Juillet 1960 à Thomas K. Wood. Ainsi des fours de production de billes, du type précité ont été conçus pour fonctionner avec de l'air de combustion à température ambiante. Un des systèmes les plus classiques de l'art antérieur comprend l'introduction de l'air de combustion à travers un orifice de la tuyère, situé au-dessous du foyer. Le courant créé par les gaz de combustion attire l'air ambiant dans la tuyère où il est mélangé avec un combustible fluide, et enflammé. Puisque les gaz s'élevaient en brûlant, une grande partie de leur chaleur était transférée à travers les parois de la tuyère et de la chambre d'expansion. Un échauffement excessif de ces parois entrainait leur détérioration et l'adhérence sur celles-ci de particules de verre fondu, et dans quelques cas il était nécessaire de prévoir des systèmes de refroidissement consistant à diriger de l'air ambiant contre les parois extérieures de la chambre d'expansion pour résoudre cette difficulté. Un but général de la présente invention est de fournir un système nouveau et perfectionné pour économiser de l'énergie dans la fabrication des billes de verre ou autres particules sphériques. Plus particulièrement la présente invention a pour objet un dispositif pour utiliser la chaleur en provenance des parois d'un four de production de billes, en vue de préchauffer les gaz de combustion du four. Elle a encore pour objet un dispositif d'alimentation de la source de chaleur en air préchauffé, pour un four de ce type dans sa généralité. Elle a encore pour objet un dispositif pour réaliser des économies appréciables de combustible au moyen de l'utilisation de l'air préchauffé. Elle a encore pour objet un dispositif de production de sphères dans lequel un courant d'air de combustion uniformément réparti est fourni au foyer. Selon une forme de réalisation illustrative de l'invention, un foyer est disposé à l'intérieur de laè- re sensiblement verticale d'un four a billes ; une chemise ou autre enceinte similaire entoure au moins une partie de la surface extérieure du four au-dessus du foyer et définit un intervalle annulaire entre la paroi interne de la chambre et la paroi externe du four. Au moins un conduit vertical communique avec la chemise et conduit au foyer. Puisque de l'air ambiant est introduit entre la chemise et la paroi extérieure du four, cet air est échauffé et pénêtre dans le conduit ; le conduit dirige de façon descendante l'air préchauffé vers le foyer sous forme d'un courant continu de gaz comburant. Selon une première caractéristique de l'invention, le gaz comburant est introduit dans la chemise en un point qui est suffisamment éloigné du point où il en est retiré, de façon à permettre une élévation appréciable de sa température. Le gaz est porté à une température élevée lorsqu'il atteint le foyer, ce qui a pour résultat que la consommation globale d'énergie du dispositif est réduite de façon appréciable. Selon une seconde caractéristique de l'invention, dans certaines formes préférées de réalisation, le gaz comburant est introduit dans la chemise à température ambiante mais avec une légère surpression ; la disposition est telle qu'un courant continu et uniforme de gaz préchauffé est fourni au foyer. Selon une troisième caractéristique de plusieurs formes de réalisation de l'invention, le gaz comburant est introduit dans la partie la plus basse de la chemise eten est retiré à la partie la plus haute, de telle sorte que I'échauffanent du gaz dans la chemise l'entraine à monter et facilite sa circulation dans le conduit. Dans d'autres dispositions avantageuses, le gaz comburant pénêtre dans la chemise au voisinage de sa partie supérieure et en est retiré au voisinage de sa partie inférieure; ces dernières dispositions permettent l'obtention d'une plus haute température de gaz du fait que sa sortie est plus proche du foyer. Selon une autre caractéristique de plusieurs formes avantageuses de réalisation de l'invention, le gaz comburant pénêtre dans la chemise par une pluralite de conduits d'alimentation communiquant avec la chemise en des points circonférentiellement équidistants les uns des autres autour du four le chauffage du gaz est realisé de façon uniforme et efficace puisque, s' écoulant des conduits d'alimentation, il est distribué tout autour du foyer. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans certaines formes importantes de réalisation, une pluralité de conduits verticaux communiquent avec la chemise en des points équirépartis sur la périphérie du four pour prélever le gaz comburant préchauffé ; l'extrémité opposée de ces conduits communique avec la tuyère au-dessous du foyer en des points equirépartis à la périphérie de la tuyère, de façon à fournir au foyer un courant uniforme de gaz préchauffé. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaitront, à la description qui va être faite de formes préférées de réalisation, en relation avec les dessins des planches annexees dans lesquelles La fig. 1 est une vue en élévation d'un appareil de production de particules sphériques selon une forme de réalisation illustrative de l'invention, La fig. 2 est une élévation de la même selon un plan perpendiculaire à celui de la figure précédente, certaines des parties ayant été omises pour faciliter la compréhension du dessin, La fig. 3 est une section partielle de la même selon le plan 3 - 3 de la fig. 1, et La fig. 4 est une vue en élévation d'un appareil de production de particules sphériques selon une autre forme de réalisation illustrative de l'invention. Sur les fig.-l et 2 un four pour la fabrication de billes de verre comporte, conformément a l'invention, un dispositif de préchauffage ; le four comporte un socle 10 surmonté d'une tuyère verticale 11 ; une pluralité de brûleurs à gaz 13 équirépartis pénêtrent dans la tuyère 11 adjacente, dans sa partie la plus basse et rayonnent sur la périphérie de celle-ci pour cons tituer un foyer. La tuyère 11 est refroidie de la façon habituelle par l'air ambiant injecté par un conduit 15 s'évasant en 16 en une chambre 17 entourant la tuyère ; l'air de refroidissement est évacué au moyen d'une cheminée 18. Une chambre d'expansion cylindrique 20 s'e lève au-dessus de l'extrémité supérieure de la tuyère 11 ; la chambre 20 entoure la partie supérieure de la tuyère 11 de façon coaxiale ; une chambre collectrice 22 est située à l'extrémité basse de la chambre d'expansion 21 autour de la tuyère i1, et elle est pourvue d'un ou plusieurs conduits de collecte 24 conduisant à des silos collecteurs appropriés (non représentes sur les figures). Le courant d'air, ou tirage, à l'intérieur de la tuyère 11 et de la chambre d'expansion 20 est soigneusement réglé de manière I contrôler l'écoulement des gaz de combustion en provenance des brûleurs. Comme cela a été plus complètement décrit dans le brevet-Wood 2 945 326 précité, un régulateur de -d6- bit 26 est situé à l'extrémité inférieure de la tuyère 11 et est avantageusement supporté par le socle 1Q. Un couvercle 27 sert à fermer sensiblement ltextremitd haute de la chambre 20 ; le couvercle 27 comporte une ouverture en relation avec un conduit 28, ce conduit descend a travers un séparateur 29 pour aboutir à un ventilateur d'aspiration qui évacue par une cheminée 31 ouverte à l'atmosphère. Comme cela est connu, les particules de verre broyé sont introduites en continu au moyen d'un conduit d'alimentation approprie 34, à l'intérieur de la tuyère 11. Quelques fois les particules introduites peuvent être réchauffées de la fa çon décrite, par exemple, dans le brevet américain Nylander 3 560 185. A leur entrée dans la tuyère 11, les particules sont entrainées dans le courant ascendant de gaz chauds provenant des bruleurs 13 ; les particules pénetrent dans la chambre d'expansion 20 et se réchauffent à température suffisante pour entrainer leur ramolissement et leur conformation en billes sous l'effet de la tension superficielle. Ces particules vont ultérieurement se solidifier sous forme de sphères. Un pourcentage substantiel de billes plus grosses retombe le long des zones latérales relativement calmes de la chambre d'expansion 20, jusque dans la chambre collectrice 22, d'out elles sont évacuées par un conduit decollecte 24 vers le calibrage et l'ensachage. Les plus petites particules solidifiées continuent leur trajet ascendant avec les gaz de combustion dans la chambre 20 et passant au-del du couvercle pénêtrent dans le conduit 28 ; les billes sont séparées des gaz entraineurs dans le séparateur 29 et sont collectées au moyen d'un conduit de collecte 32 dans des récipients appropriés (non représentés). Le système ci-dessus décrit est simplement illustratif d'une combinaison connue d'éléments pour la production de billes ; il est facilement compris que dans une telle combinaison, lorsque le dispositif est en fonctionnement la température dans la chambre d'expansion 20 devient assez élevée, et qu'une quantité substantielle de chaleur rayonne à travers les parois cylindriques de la chambre et, conséquemmment, est perdue dans l'at mosphère. Les formes de réalisation de l'invention présentement illustrées utilisent cette chaleur gaspillée pour préchauffer l'air ambiant ou tout autre comburant pour l'alimentation des brûleurs 13 ; l'air alimentant les brûleurs est à une température élevée avec pour résultat que la consommation des bre- leurs pour une production donnée est considérablement réduite ; le dispositif de l'invention travaille en échangeur de chaleur pour convertir la chaleur entourant la chambre d'expansion en énergie d'appoint à l'entrée des brûleurs. L'économie résultante, en coût de combustible est substantielle, et pour des brûleurs utilisant le gaz naturel par exemple, il n'est pas rare d'atteindre une réduction du coût de 25 % ou plus par la mise en oeuvre de la présente invention. Pour atteindre ces résultats la chambre d'expansion 20 est entourée au moins en partie par une chemise cylindrique ou toute autre enceinte référencée dans son ensemble par 35 ; la chemise 35 délimite un espace annulaire entre sa paroi intérieure et la paroi extérieure de la chambre d'expansion 20. L'espace entre le bord supérieur de la chemise 35 et la chambre d'expansion 20 est fermé par une couronne 37 ; une couronne similaire 38 ferme l'espace compris entre le bord inférieur de la chemise et la chambre. Quatre conduits verticaux de soutirage 40 43 sont équirépartis à la périphérie de la chambre cylindrique 35. Les extrémités supérieures de ces conduits communiquent avec l'in térieur de la chemise 35 et sont situéesau voisinage de l'extré- mité supérieure du four ; les extrémités les plus basses de ces conduits descendants sont raccordés au socle 10 au-dessous des brûleurs 13. Les conduits communiquent directement avec les brûleurs par l'intermédiaire du socle et la tuyère 11. La chemise 35 est pourvue au voisinage de son extrémité inférieure d'une paire d'ouvertures d'alimentation 45 et 46 ; les ouvertures d'alimentation -45 et 46 sont diamétralement opposées et sont respectivement situées entre les paires adjacentes de conduits 40 et 41, et 42 et 43. Deux conduits d'alimentation 47 et 48 s'étendant latéralement communiquent avec les ouvertures 45 et 46 respectivement et ces derniers conduits conduisent à une capacité 50. La capacité 50 est, dans sa configuration générale, un cylindre creux et elle est avantageusement supportée par un des côtés du four, juxtaposée à la partie la plus basse de la chambre d'expansion 20. La capacité 50 est approvi sionnée en air ambiant à une pression légèrement positive par un ventilateur 52 situé à un orifice d'entrée de la capacité.Le ven- tilateur 52 est entrainé par un moteur 53. En cours de fonctionnement, l'air ambiant pressurisé dans la capacité 50 est dirigé par l'intermédiaire des conduits 47 et 48 dans l'espace annulaire compris entre la chambre d'expansion 20 et la chemise 35 l'entourant. L'air ainsi introduit est préchauffé par la paroi extérieure chaude'de la chambre 20 et il monte dans l'espace compris entre la chambre 20 et la chemise 35 et arrive à la partie la plus haute de cet espace sous l'effet de la surpression. L'air préchauffé pénêtre alors dans les conduits verticaux 40, 41, 42 et 43 ; il chemine en descendant dans ces conduits et pénêtre dans le socle 10 immédiatement sous les brûleurs 13 ; l'air préchauffé entrant sert à entretenir la combustion du brûleur à fuel avec le résultat que substantiellement moins de fuel est nécessaire ; de plus l'air ambiant étant introduit à travers les ouvertures d'entrée 45 et 46, a un effet de refroidissement qui sert à maintenir la température de la paroi extérieure de la chambre d'expansion 20 à un niveau réduit. Dans quelques cas de réalisation le courant d'air -ambiant, ou à la température des locaux, provenant de la capacité 50 est réglé par une vanne de ralentissement 55. Afin d'assurer un contrôle additionnel une seconde vanne de ralentissement 56 est disposée dans chacun des conduits verticaux 40, 41, 42 et 43 à une courte distance au-dessus du point d'entrée du conduit dans le socle 10. Ces vannes de ralentissement sont réglables pour assurer au foyer un courant régulièrement réparti d'air préchauffé Dans les formes de réalisation des fig. 1 à 3 l'air ambiant est introduit au voisinage de la partie la plus basse de la chemise 35 et est retiré préchauffé au voisinage de la partie supérieure de la chemise. Dans cette disposition la tendance naturelle de l'air à s'élever dans la chemise, en meme temps que sa température s' accroit, concourt à faire pénétrer le courant d'air préchauffé dans les brûleurs 13. Dans d'autres formes de réalisation avantageuses l'air ambiant est introduit à la partie supérieure de la chemise et en est retiré préchauffé à sa partie la plus basse. Ces dernieres dispositions permettent d'obtenir une température plus élevée au voisinage de la partie extérieure la plus basse de la paroi de la chambre d'expansion 20 pour procurer un croissement supplémentaire de la température de l'air dans les brûleurs 13. En relation avec la fig. 4 par exemple, il est montré un four à billes de type semblable à celui décrit précédemment, qui comporte une chemise cylindrique 60 autour de la chambre d'expansion 20 ; quatre conduits verticaux 63 communiquent avec l'espace compris entre la chambre 20 et la chemise 60 ces conduits sont substantiellement plus courts que les conduits verticaux de la forme de réalisation des figures I à 3 et sont disposés de telle manière que leursextrémité-, supérieures sont reliées à la chemise au voisinage de sa partie la plus basse les extrémités opposées, ou encore les plus basses, de ces conduits, conduisent au socle 10 pour diriger l'air préchauffé en direction des brûleurs 13 de la façon décrite plus haut. La partie supérieure extrême de la chemise 60 est pourvue de deux ouvertures d'alimentation 67 ; les ouvertures 67 sont diamétralement opposées l'une par rapport à l'autre et communiquent avec des conduits d'alimentation correspondants 70 ; ces derniers conduits s'étendent depuis la chemise 60 selon une direction sensiblement horizontale puis descendent verticalement vers la capacité 50. Du fait que le ventilateur 52 force l'air ambiant à pénêtrer dans la capacité 50, cet air est dirigé en surpression par les conduits d'alimentation 70 jusqu'à la partie haute de l'espace compris entre la chambre d'expansion 20 et la chemise cylindrique 60 ; l'air ainsi introduit est élevé en tempera- ture par la paroi extérieure chaude de la chambre d'expansion, et l'air préchauffé atteint sa température la plus haute au voisinage de la partie la plus basse de la paroi de la chambre d'expansion du fait de la relativement haute température de la paroi en ce point ; l'air passe à travers les conduits verticaux 63, le socle 10 et la tuyère-ll pour arriver aux bruleurs 13 et fournir au foyer un air à température élevée. Dans certaines formes de réalisation de l'invention, le préchauffage de l'air de combustion peut être obtenu à partir de la périphérie du conduit d'évacuation 28 grâce à l'aménagement d'une chemise - autour de ce conduit ; une telle chemise peut être utilisée soit complémentairement, soit à la place de la chemise entourant la chambre d'expansion, et elle peut être reliée à des conduits additionnels appropriés pour diriger l'air vers le foyer. Bien que les formes de réalisation de l'invention telles qu'illustrées ci-dessus soient particulièrement efficaces pour le préchauffage de l'air ambiant devant servir de comburant dans un four de production de billes de verre, le dispositif pourra très bien être utilisé, selon d'autres formes de réalisation, pour préchauffer de l'air, ou tout autre comburant, dans d'autres types de fours pourvus d'une tuyère verticale, sans sortir du cadre de la présente invention, de même qu'une lecture approfondie de la présente description révèlera aux spécialistes de ces techniques l'emploi de l'invention à des types divers de fours. I1 doit être enfin compris que les termes et expressions qui ont été utilisés sont descriptif et non limitatif de l'invention et qu'il n'y a dans leur usage aucune intention d'exclure des caractéristiques équivalentes à celles décrites et représentées, ou certaines de leurs parties, étant admis que des modifications diverses sont possibles à l'intérieur du champ de l'invention telle que revendiquée. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de production de particules sphériques telles que billes de verre, comprenant pour agir en combinaison un four pourvu d'une chambre d'expansion pour la conformation des par ticules sphériques, une source de chaleur, ou foyer, disposeeau voisinage de la partie la plus basse de la dite chambre pour maintenir l'espace intérieur de la dite chambre à une tempéra ture élevée, et des moyens pour introduire les particules d'un matériau à conformer en sphères, les dites particules intro duites étant entrainées verticalement à l'intérieur de la chan- bre par la chaleur provenant du foyer et étant conformées en sphères sous l'effet de la tension superficielle, caractérisé: en ce qu'il comprend :: - des moyens formant enceinte disposés autour de la dite cham bre d'expansion, la dite enceinte étant pourvue d'au moins une ouverture d'alimentation, - des moyens pour introduire un gaz comburant dans la dite ou verture d'alimentation de la dite enceinte, le dit gaz intro duit par la dite ouverture d'alimentation s'écoulant dans l'ea pace compris entre l'enceinte et la chambre et étant amené à une température élevée par la chaleur provenant du dit foyer, et - des moyens pour soutirer le dit gaz chauffé hors de l'espace compris entre l'enceinte et la chambre, pour en al-imenter le dit foyer 2.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 1, caractérisé :: en ce que la dite chambre d'expansion est disposée verticalement et comporte une paroi conduc trice de la chaleur, en ce que les dits moyens d'introduction de particules de matériau sont situés au voisinage du foyer, et en ce que les dits moyens de soutirage du gaz chauffé comportent une pluralité de conduits verticaux;; 3.- Dispositif de production de particulesspheriques, selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des dits conduits verti caux communique avec la dite enceinte au voisinage de son ex trémité supérieure 4.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des dits conduits verti caux communique avec la dite enceinte au voisinage de son ex trématé inférieure 5.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une paire de conduits d'alimentation respectivement en communication avec une dite ouverture au moins d'introduction du dit gaz com burant dans la dite enceinte 6.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 5, caractérisé :: en ce que la dite chambre d'expansion et la dite enceinte ont une configuration cylindrique concentri que d'axe vertical 7.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dites ouvertures d'alimenta tion sont disposées dans la partie la plus basse de 1 'encein- te 8.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dites ouvertures d'alimenta tion sont disposées à la partie supérieure de la dite encein te 9.- Dispositif de production de particules sphériques, caracté risé en ce qu'il comprend pour agir en combi naison - un four comprenant une chambre d'exDansion s'étendant ver ticalement, la dite chambre servant à la conformation des particules sphériques, la dite chambre comportant une paroi conductrice de la chaleur, un foyer disposé au voisinage de la partie basse de la chambre d'expansion pour maintenir l'espace intérieur de la chambre à une température élevée, - des moyens d'introduction des particules d'un matériau de vant être conformé en sphères, l'introduction dans le four étant faite au voisinage du foyer, les dites particules in troduites étant entrainées verticalement dans la chambre par l'air chaud provenant du foyer et étant conformes en sphè res ou billes par l'effet de tension superficielle, - des moyens de chemisage, ou chemise formant enceinte dis posée autour de la dite chambre d'expansion, la dite chemise étant pourvue d'une pluralité d'ouvertures d'entrée, - des moyens comprenant une paire de conduits d'alimentation communiquant respectivement avec les dites ouvertures pour l'introduction des gaz comburant dans la dite chemise, le gaz comburant introduit par les dites ouvertures d'alimenta tion s'écoulant dans l'espace compris entre la chemise et la chambre et étant porté à une température élevée par la cha leur provenant du dit foyer, et - une pluralité de tubes verticaux pour soutirer le gaz com burant hors de l'espace compris entre la chemise et la cham bre pour en alimenter le foyer 10.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dits conduits d'alimentation communiquent avec la partie la plus basse de l'enceinte, et en ce que les dits tubes verticaux de sou tirage du gaz chauffé sont en communication avec la partie la plus haute de la dite enceinte ; 11.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dits conduits d'alimentation communiquent avec la partie la plus haute de l'enceinte, et en ce que les dits tubes verticaux de souti rage des gaz chauds communiquent avec la partie la plus bas se de la dite enceinte ; 12.- Dispositif de production de particules sphériques, caractéri sé en ce qu'il comprend pour agir en combinai son - une tuyère verticale ayant un orifice d'alimentation au voisinage de sa partie la plus basse, - un foyer disposé a l'intérieur de la dite tuyère, - une chambre d'expansion disposée au-dessus et en communica tion avec la dite tuyère, le dit foyer étant destiné à maintes nir à l'intérieur de la dite chambre une température élevée, - une enceinte disposée autour de la dite chambre d'expansion et à une certaine distance de celle-ci, - une pluralité de conduits verticaux de soutirage, chacun des dits conduits de soutirage communiquant à sa première extrémité avec la dite enceinte et communiquant à sa seconde extrémité avec usi orifice d'alimentation de la dite tuyère, - une pluralité de conduits d'alimentation, chacun des dits conduits d'alimentation communiquant a une de ses extrémités avec la dite enceinte, - une capacité en communication avec l'extrémité opposée des dits conduits d'alimentation, - des moyens pour introduire de l'air à la température ambiant te dans la capacité, l'air introduit s'écoulant par les con duits d'alimentation dans l'espace compris entre l'enceinte et la chambre d'expansion et étant porté a température élevée par la chaleur de la dite chambre, l'air ainsi chauffé s'é coulant par les conduits verticaux de soutirage des gaz chauds vers la dite tuyère 13.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 12, caractérisé par une vanne disposée à l'intérieur de chacun des conduits verticaux de soutirage des gaz chauds pour régler le débit de l'air dans ceux-ci 14.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 12, caractérisé en ce que la dite chambre d'expansion et la dite enceinte ont une configuration cylindrique concentri que d'axe vertical ;; 15.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 14, caractérisé en ce que les dites premières extrémités des conduits verticaux de soutirage des gaz chauds sont cir conférentiellement réparties autour de la partie la plus éle vée de 1'enceinte et sont,équidistantesles unes des autres, et en ce que les dites extrémités des conduit4 d'alimentation sont circonférentiellement équiréparties autour de la partie la plus basse de la dite;enceinte et sont équi distantes les unes des autres ; 16.- Dispositif de production de particules sphériques, selon la revendication 14, caractérisé en ce que les dites premières extrémités des tubes verticaux de soutirage des gaz chauds sont circon férentiellement réparties autour de la partie la plus basse de l'enceinte, et en ce que les dites extrémités des conduits d'alimentation sont circonférentiellement réparties autour de la partie le plus basse de la dite enceinte.