Brevet FR2503836A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne un brûleur multiflammes dont la puissance surfacique,c'est-à-dire la puissance par unité de surface,peut atteindre la valeur de 3500 W/cm2,ce qui correspond à environ 30 000 thermies/h/m2. On connais des brûleurs à flammes multiples;ils ont généralement une faible largeur,de 3 à 4 cm,et se présentent sous la forme de rampes rectilignes ou d'éléments circulaires mais leur puissance surfacique ne dépasse pas 2500 W/cm2. On a cherché à augmenter la puissance surfacique des brûleurs à flammes multiples et également à élargir considérablement leurs domaines d'application en leur donnant des profils extérieurs s écartant considérablement des formes limitées précitées. Pour remédier aux inconvénients des réalisations connues,on a fait intervenir d'une part les dimensions des orifices de formation de flammes et leur répartition et d'autre part on a cherché à donner au brûleur une structure modulaire permettant de l'adapter à toutes formes extérieures appropriees. L'invention concerne en conséquence un brûleur multiflammes qui comprend des éléments modulaires perforés d'orifices de formation de flammes,un corps comportant des chassis d'encadrement répartis spatialement de façon à donner à la surface externe du brûleur le profil approprié,lesdits chassis étant agencés pour recevoir et maintenir lesdits éléments modulaires,des moyens de fixation et de jointoiement des éléments modulaires dans les châssis et des moyens associés au corps et aux châssis pour exercer une action d'anti-resonance sur les éléments. Selon d'autres particularités de la présente invention: -les éléments modulaires,formés de céramique,comportent des orifices de formation de flammes qui ont un profil cylindrique d'un diamètre- compris entre 0,8 et 2 mm,à condition que ces orifices soient disposés en rangées parallèles, -dans les rangées parallèles,l'entr1axe des orifices d'une mme rangée doit etre au plus égal à 1,5 fois leur diametre;les rangées d'orifices sont groupées au maximum deux par deux;il est prévu entre deux rangées une distance maximale d'axe en axe qui est égale à 1,5 fois le diamètre d'orifice;;en outre la distance d'axe en axe entre deux groupes de rangées d'orifices disposés en quinconce doit etre au maximum égale à 2,5 fois le diamètre d'orifice, -l'épaisseur des éléments en céramique doit être comprise entre 6 et 14 fois le diamètre d'orifice, -le corps du brûleur,réalisé en tôle d'acier protégée, en acier réfractaire ou en acier inoxydable,est pourvu d'un renforcement constitué par des croisillons soudés sur ses parois internes. -les moyens de fixation et de jointoiement des éléments perforés dans les châssis d'encadrement du corps sont constitués par des axes tendeurs et des bandes de matière isolante, par exemple du feutre céramique, -les axes tendeurs sont reliés au renforcement intérieur par des lames , tiges ou languettes en vue de l'amortissement des vibrations de résonance engendrées par les flammes, -les éléments en céramique sont fixés dans un châssis métallique,en acier ou en fonte,l'ensemble étant fixé au corps par l'intermédiaire d'un joint plat isolant,ou également à l'aide d'un joint profilé en U, -comme moyens anti-résonance agissant par amortissement des vibrations engendrées par les flammes,il est prévu une couche isolante,par exemple en feutre céramique,fixée par collage sur les parois internes du corps, -comme moyens anti-résonance agissant sur les conditions d'écoulement du gaz,il est prévu à l'intérieur du corps de brûleur et en dessous des éléments en céramique,une structure en tôle en forme de caisson créant un ou plusieurs passages d'étranglement de l'écoulement du mélange gazeux en direction des éléments,la hauteur H dudit passage d'é tranglement,mesurée dans la direction d'écoulement du mélange gazeux,et sa largeur D,mesurée dans une direction perpendcu laire,devant satisfaire à la relation H > 3D. -il est prévu,directement en dessous des éléments modulaires,ou bien lors de l'existence du ou des canaux d'étranglement directement en amont ou dans lesdits canaux, une plaque en tôle perforée servant à égaliser l'écoulement de gaz -il est prévu,à l'extérieur et devant la face frontale du brûleur une plaque génératrice de radiations calorifiques. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description,donnée à titre d'exemple non limitatif,en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig .la, lb et lc représentent trois exemples d'agencement d'un brûleur conforme à l'invention,pourvu d'éléments modulaires perforés en céramique; Fig.2 est une vue en perspective montrant quatre éléments modulaires en céramique dans la condition d'assemblage à l'aide d'axes tendeurs, Fig.3 est une vue en perspective éclatée montrant la structure d'un corps de brûleur,ainsi que les éléments en céramique prêts à être installés dans celui-ci; Fig.4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un corps de brûleur;; Fig .5a, 5b, 5c, 5d sont des vues en coupe transversale d'un corps de brûleur,montrant différents agencements de la structure d'étranglement qui est placée à l'intérieur du corps pour réduire les vibrations de résonance engendrées par les flammes; Fig.6 est un graphique donnant des courbes représentant les puissances surfaciques et les puissances spécifiques qui sont obtenues avec des éléments en céramique,lesdites courbes permettant de comparer les performances obtenues pour les différentes répartitions d'orifices, Fig .7a à 7g sont des vues en plan montrant différents modes de répartition des orifices dans un élément de brûleur conforme à l'invention; Fig .8a, 8b,8c ,8d montrent différentes formes de plaques d'émission de rayonnement calorifique pouvant être incorporées au brûleur multiflammes selon l'invention. On a représenté sur les figures la, lb, lc trois exemples d'agencement d'un brcleur multiflammes conforme à l'invention. Ainsi, la figure la représente un brûleur dont le corps 1 a une forme essentiellement parallélépipèdique et comporte des éléments modulaires 2,fixés les uns à côté des autres d'une manière qui sera décrite dans la suite,en vue de créer un brûleur comportant une grande surface de chauffe de profil plan. Ce brûleur est alimenté en mélange gazeux par l'intermédiaire d'une tubulure 3 qui débouche à l'intérieur du corps 1. Sur la figure lb,on a représenté un brûleur dont la surface extérieure a un profil octogonal. Ce brûleur comporte un corps central 4 sur lequel sont fixés des châssis longitudinaux 5 de section droite trapézoldale,qui servent à maintenir en place sur leurs surfaces extérieures des éléments modulaires 6. L'alimentation de ce brûleur peut se faire aussi bien dans la direction longitudinale par l'intermédiaire d'une tubulure 7 que dans la direction transversale par l'intermédiaire d'une tubulure 8 ,indiquée en trait mixte. Sur la figure lycaon a représenté un autre exemple de réalisation d'un brûleur dont le corps 9 sert à la fixation de châssis transversaux 10 dans lesquels sont montés des éléments modulaires ll,l'alimentation de ce brûleur pouvant être effectuée aussi bien par une tubulure 12 orientée longitudinalement que par une tubulure 13 orientée transversalement. Sur la figure 2,on a représenté de façon plus détaillée un exemple de réalisation des éléments modulaires intervenant dans la structure du brûleur multiflammes selon l'invention. Ilest cependant à noter que,bien qu'on ait représenté sur les différentes figures des éléments modulaires ayant des profils carrés ou rectangulaires,il rentrc dans le cadre de l'invention de leur donner d'autres formes, à condition qu'elles se prêtent à la création d'une structure modulaire,par exemple une forme de triangle équilatéral ou autre.Chaque élément,tel que 14 sur la figure 2,est formé d'un bloc de matière céramique qui est perforé d'un grand nombre de trous de forme cylindrique circulaire,dont le diamètre et la répartition,qui correspondent à des caractéristiques de la présente invention,seront définis dans la suite .La fixation des éléments dans le corps de bruleur est effectuée comme indiqué sur les figures 2,3 à l'aide de tendeurs 15,16, disposés en croix dans le cas des éléments rectangulaires représentés sur ces figures. Ces tendeurs sont eux-mêmes fixés sur le châssis d'encadrement ou le corps du brûleur par des moyens appropriés. Par exemple dans le cas de la figure 12,cet te fixation est assurée à l'aide de lames métalliques 17 qui sont maintenues en place sur des renforts intérieurs 18 du corps de brûleur.Sur la figure 4,la fixation est assurée différemment Dans ce as il est prévu un corps 23 en tôle sont le bord supérieur se présente sous la forme d'une rainure en forme de U,désignée par 4 et dans laquelle vient s'enga- ger,avec interposition d'une garniture d'étanchéité 25, un châssis métallique d'encadrement 22,également réalisé en tôle acier ou en fonte. Ce châssis comporte å sa partie supérieure une partie d'encadrement profilée en U , dans laquelle sot montes es éléments modulaires en céramique par l'intermédlaire des tirants,dont l'un est à nouveau indiqué schémati @uement en 15.L'assemblage du châssis et du corps par l'intermédiaire d'une rainure en U pourrait également être remplacé par un Joint plat isolant de plusieurs millimètres d'épais- seur. Pour assurer le Jointoiement des éléments en céramique, on dispose dans les intervalles,teis que 21,existant entre Ces rangées d'éléments,et également dans les intervalles,tels que 26,existant entre les périphéries des éléments et le chassis d'encadrement,des bandes de matière isolante,telle que des feutres céramiques. Dans l'intervalle 21 par exemple, Ci est prévu deux bandes de feutre ceramique qui sont placées e part et autre des tendeurs 15. @@ fait des grandes vitesses d'écoulement,de l'ordre de 30 à O m/s,qui peuvent entre atteintes par le mélange combustible à travers es orifices de sortie des éléments en céramique,il peut se produire des bruits de résonance dont i@ faut assurer l'amortissement. Selon un mode de réalisation de la présente invention,cet amortissement des bruits de résonance est assuré d'une part en fixant les tendeurs au renforcement intérieur du châssis ou du corps par l'interme- diaire de lames,languettes ou tiges,comme cela a été indiqué schématiquement en 17 sur la figure 3. Les bandes de feutre céramique servant au jointoiement des éléments interviennent également dans l'amortissement des vibrations. En outre,on place sur la surface intérieure du corps 23 une couche isolante 27 de feutre céramique. Les moyens anti-résonance qui viennent d'être décrits constituent en fait les agencements servant à amortir des vibrations produites avec une certaine puissance. On a cherché par ailleurs à supprimer les phénomènes de résonance en agissant sur les conditions de génération des vibrations et, pour trouver les moyens appropriés,on a étudié les conditions d'écoulement du mélange gazeux et on en est arrivé empiriquement aux conclusions suivates: -si, avant sa pénétration dans les orifices cylindriques des éléments en céramique,on soumet l'écoulement de gaz combustible à certaines conditions d'étranglement,on supprime les phénomènes de résonance.Ces conditions consistent à faire passer le courant de gaz dans un canal d'étranglement, dont l'axe est orienté perpendiculairement aux éléments céramiques et qui présente une hauteur H,mesurée dans la direction d'écoulement,et une largeur D,mesurée dans la direction perpendiculaire,qui sont liées par la relation suivante: H 3D. Cet agencement a été mis en évidence sur les figures 5a, 5b, 5c et 5d. Sur la figure 5a,on a désigné par 28 le corps d'un brûleur dans le châssis d'encadrement duquel sont fixés des éléments céramiques,à nouveau désignés par la référence 14. A l'intérieur des corps 28,il est prévu deux caissons longitudinaux 29,30 qui délimitent entre eux un canal ou fente orienté dans la direction longitudinale du corps de brûleur. Le mélange gazeux arrive par un conduit 32,qui peut avoir des formes différentes suivant sa disposition par rapport au corps de brûleur. Par exemple dans la structure indiquée sur la figure 5a,le conduit 32 débouche dans le corps de bru leur par un trou de profil allongé dans la direction longitudinale du corps.Au contraire,sur la figure 5b, l'alimentation du brûleur est effectuée sur le petit côté par l'intermédiaire d'un conduit 32 qui débouche par un trou circulaire. Pour assurer une meilleure répartition et égalisation des vitesses d'écoulement dans le courant de gaz, on dispose une plaque perforée en amont du canal d'étrangle ment 31, cette plaque perforée étant désignée par 33 sur les figures 5a, 5b et 5c. Sur la figure 5c, on a montré une autre possibilité de montage de la plaque perforée,comme indiqué en 33'. Après avoir traversé la plaque perforée 33 ou 33', le mélange passe dans le canal d'étranglement,de hauteur H et de largeur D. Quand la relation H > 3D est satisfaite, on constate qu'il ne se produit aucun phénomène de résonance. Comme indiqué schématiquement sur la figure 5c,il est possible de prévoir,dans un corps de brûleur de grandes di mensions , plusieurs caissons tels que 34 ,35,36 qui délimi tent entre eux des canaux 37,38 devant également satisfaire à la relation H > 3D pour l'élimination des phénomènes de résonance. I1 n'est pas obligatoire que les parois de délimitation des canaux d'étranglement soient parallèles et il est par exemple possible d'adopter les dispositions mises en évidence sur la figure 5d, où il est prévu dans le canal d'étranglement 3l,à l'entrée ou bien à la sortie,ou bien sur toute son éten due,des surfaces parallèles 39,ou bien convergentes 40 ou bien divergentes 41,à condition que la relation H > 3D moyen soit satisfaite. Après avoir défini la structure d'ensemble du brûleur multiflammes selon l'invention,on va maintenant préci ser les caractéristiques des éléments de formation de flammes du brûleur. Comme indiqué ci-dessus,ces éléments sont consti tués d'un matériau céramique et sont perforés d'un grand nombre de trous cylindriques . Des études expérimentales effectuées avec différents éléments en agissant sur le dia. mètre des trous et sur leur répartition ont été réalisées de la manière suivante. On a indiqué sur les figures 5a à 59 plusieurs exemples de répartition d'orifices. On a utilisé comme éléments modulaires des plaques en céramique de 14 mm,perforées d'orifices cylindriques dont on a fait varier d'une part le diamètre et d'autre part la répartition.Pour juger des effets obtenus,on a mesuré pour chaque élément d'une part la puissance surfacique,c'est-à-dire la puissance rapportée à l'unité de surface totale de la tête de brûleur,et d'autre part la puissance spécifique,c'est-à-dire la puissance de chauffe rapportée à l'unité de section de sortie des flammes,ces deux puissances étant exprimées en m.thermies/heure.cm On 0 n a tracé un graphique,qui est indiqué sur la figure 6 et qui donne, sur l'axe des ordonnées de gauche la puissance surfacique et sur l'axe des ordonnées de droite la puissance spécifique. On a porté sur l'axe des abscisses le nombre de trous par élément modulaire de surface constante,à savoir dans ce cas un élément rectangulaire de 100 x 45 mm.Sur le graphique la puissance surfacique est désignée par PSu,la puissance spécifique par PSp et le nombre de trous par N.La courbe A représente la puissance surfacique tandis que la courbe B représente la puissance spécifique. On a également indiqué sur l'axe des abscisses d'une part,entre parenthèses,le nombre de trous prévus dans l'élément modulaire correspondant à la désignation de figure indiquée en dessous. On voit par conséquent que l'élément modulaire le plus efficace est celui correspondant à la figure 5c et qu'on peut classer à la suite l'élément de la figure 5d. Cette analyse a permis aux inventeurs de définir des relations précises en vue de l'obtention de la puissance surfacique maximale pour les éléments modulaires en céramique. On peut condenser ces relations comme suit a) les orifices cylindriques ont un diamètre compris entre 0,8 et 2 mm,à condition que ces orifices soient disposés en rangées parallèles.(Pour obtenir les courbes du graphique, on a adopté un diamètre d'orifice de 1,05mm). b)Dans des rangées parallèles,l'entr'axe des orifices d'une meme rangée doit être au plus égal à 1,5 fois leur diamètre;îes rangées d'orifices sont groupées au maximum deux par deux;il est prévu entre deux. rangées une distance maximale d'axe en axe qui est égale à 1,5 fois le diamètre d'orifice; en outre la distance d'axe en axe entre deux groupes de rangées d'orifices disposés en quinconce doit etre au maximum égale à 2,5 fois le diamètre d'orifice. c)L'épaisseur des éléments en céramique doit etre comprise entre 6 et 14 fois le diamètre d'orifice. On a ainsi défini des limites supérieures et des plages de valeurs et on a pu constater que,avec des éléments modulaires comportant des trous rentrant dans les limites et plages indiquées ci-dessus,on obtenait un ensemble de flammes homogène et stable avec une hauteur de dards identique. En outre il est à noter que l'expression "rangées parallèles" se rapporte non seulement à des rangées parallèles rectilignes mais également à des rangées parallèles curvilignes,comme cela a été mis en évidence à titre d'exemple sur la figure 5g qui montre des rangées parallèles disposées en dents de scie. L'homogénéité d'ensemble des flammes ainsi créées sur les éléments modulaires permet d'obtenir un chauffage parfaitement bien réparti,qulon peut exploiter par ailleurs pour chauffer une plaque de structure pleine,perforée ou déployée qui est utilisée comme émetteur de radiations calorifiques, affin de transformer ainsi une partie de la convection en rayonnement. A titre d'illustration,on a mis en évidence sur les figures 8a à 6d quelques exemples d'agencement desuites plaques,les bruleurs étant désignés respectivement par B1, B2, B3, B4 et les plaques de rayonnement calorifique par P1, P2, P3 4 Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés,à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Brûleur multiflammes de grande puissance surfacique, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments modulaires (2,6,11,14)perforés d'orifices de formation de flammes,un corps (1, 3, 9,23)comportant des châssis d'encadrement (5,22)répartis spatialement de façon à donner à la surface extérne du brûleur le profil approprié,lesdits châssis étant agencés pour recevoir et maintenir lesdits éléments modulaires,des moyens de fixation et de Jointoiement (15,16,18)des éléments modulaires dans les châssis et des moyens (17,27,31) associés au corps et aux châssis pour exercer une action d'anti-résonance sur les éléments. 2. Brûleur multiflammes de grande puissance surfacique selon la revendication l,caractérisé en ce que les 3. Brûleur multiflammes selon l'une des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que les orifices sont disposés en rangées parallèles,en ce que l'entr'axe des orifices d'une même rangée doit être au plus égal à 1,5 fois leur diamètre, en ce que les rangées d'orifices sont groupées au maximum deux par deux,en ce qu'il est prévu entre deux rangées une distance maximale d'axe en axe qui est égale à 1,5 fois le diamètre d'orifice, et en ce qu'en outre la distance d'axe en axe entre deux groupes de rangées d'orifices disposés en quinconce doit etre au maximum égale à 2,5 fois le diamètre d'orifice. 4.Brûleur multiflammes selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que l'épaisseur des éléments en céramique (14) doit être comprise entre 6 et 14 fois le diamètre d'orifice. 5.Brûleur multiflammes selon la revendication l,caractérisé en ce que le corps du brûleur,réalisé en tôle d'acier protégée,en acier réfractaire ou en acier inoxydable,est pourvu d'un renforcement constitué par des croisillons (18) soudés sur ses parois internes. 6.Brûleur multiflammes selon la revendication l,caractérisé en ce que les moyens de fixation et de jointoiement des éléments perforés dans les châssis d'encadrement du corps sont constitués par des axes tendeurs (15,16)eut des bandes de matière isolante,par exemple du feutre céramique. 7. Brûleur multiflammes selon l'une des revendications 1 et 6,caractérisé en ce que les axes tendeurs (15,16) sont reliés au renforcement intérieur par des lames,tiges ou languettes (17)en vue de l'amortissement des vibrations de résonance engendrées par les flammes. 8. Brûleur multiflammes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ,caractérisé en ce que les éléments en céramique sont fixés dans un châssis métallique (22),en acier ou en fonte,l'ensemble étant fixé au corps (23)par l'intermédiaire d'un joint plat isolant,ou également à l'aide d'un joint profilé en U (20). 9. Brûleur multiflammes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que,comme moyen antirésonance agissant par amortissement des vibrations engendrées par les flammes,il est prévu une couche isolante (27)par exemple en feutre céramique,qui est fixée par collage sur les parois internes du corps (23). 10. Brûleur multiflammes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que,comme moyens anti-résonance agissant sur les conditions d'écoulement du gaz, il est prévu à l'intérieur du corps de brûleur et en dessous des éléments en céramique,une structure en tôle en forme de caisson (29,30),créant un canal d'étranglement (31) de l'écoulement du mélange gazeux en direction des éléments, la hauteur H dudit canal d'étranglement,mesurée dans la direction d'écoulement du mélange gazeux,et sa largeur D,mesurée dans une direction perpendiculaire devant satisfaire à la relation H 3D. 11. Brûleur multiflammes selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,caractérisé en ce qu'il est prévu,directement en dessous des éléments modulaires,ou bien lors de l'existence du ou des canaux d'étranglement directement en amont ou dans lesdits canaux,une plaque en tôle perforée (33) servant à égaliser l'écoulement de gaz. 12. Brûleur multiflammes,selon l'une quelconque des revendications 1 à ll,caractérisé en ce qu'il est prévu,à l'extérieur et devant la face frontale du brûleur (B),une plaque (P)génératrice de radiations calorifiques.