Brevet FR2498736A1 — publié le 19820730

La présente invention concerne le domaine de la thermique et a notamment pour objet un brûleur à gaz. Elle peut être appliquée avec une efficacité maximale aux foros métallurgiques de fusion et de chauffage,pour la fusion et la surchauffe de la fonte et de l'acier, ainsi qu'aux foyers des chaudières dans les centrales thermiques. A l'heure actuelle, le gaz naturel, étant le combustible le moins cher, est de plus en plus utilisé dans l'industrie pour être brûlé dans les fours de chauffage, de traitement thermique et de fusion,ainsi que dans les foyers des centrales thermiques. Pour cela, il faut souvent assurer une combustion économique du gaz à haute température, par exemple en vue de la fusion et de la surchauffe des alliages de métaux ferreux tels que la fonte et l'acier. Une haute température de combustion du gaz dans les flammes peut être obtenue en réduisant la longueur du parcours du gaz en combustion et en augmentant la contrainte thermique dans le volume de la flamme, ce qui est possible en optimalisant les éléments utilisés dans la construction du brûleur à gaz, en alimentant le brûleur en air chaud, en procédant à un réchauffage du gaz combustible avant son mélange avec l'air. Toutefois, ces moyens de combustion efficace du gaz sont encore insuffisamment exploités, par suite de l'emploi, dans une série de cas, de brûleurs de conception Omparfaite. Nombre de brûleurs existant actuellement ne peuvent fonctionner efficacement et sûrement, que ce soit à vend chaud ou à vend froid.Ils ne sont pas adaptés pour fonctionner en combinaison avec des récupérateurs, ne permettent pas de brûler le gaz avec obtention de flammes lumineuses irradiant la chaleur et chauffant rapidement les matériaux. On connatt un brûleur à gaz comprenant une tuyère convergente, au centre de laquelle est monté un tube de distribution du gaz avec des perforations disposées en quinconce pour la sortie du gaz. Dans le brûleur connu, le tube de distribution de gaz dépasse au-delà de la tranche de la tuyère, aussi le mélange du gaz avec l'air s'effectue-t-il à la sortie et hors des limites de la tuyère convergente (cf. certificat d'auteur d'invention URSS n 241 353, F 27 C 1/10, publié en 1969). Le brûleur à gaz connu permet de brûler le gaz dans un flux d'air chaud, avec formation d'une flamme lumineuse courte. Toutefois, pour la réalisation de processus spéciaux, par exemple dans les fours de métallurgie, il est nécessaire de produire des flammes de forme, dans la section des quelles la composition des gaz, la luminosité et la température doivent être dif- fés,ce qut ne peut être obtenu quand on utilise le brûleur à gaz connu. On connait aussi un brûleur à gaz destiné aux chaudières à vapeur et à eau chaude, choisi en tant que prototype de la présente invention, (cf. l'ouvrage "Les dispositifs de combustion da gaz" par Maizels P.B., Vigdorchik D. Ya., éditions de littérature concernant le génie civil, Xoscou > publié en 1964, p. 200). Ce brûleur connu comprend une chambre dans laquelle sont montés des tubes de distribution de gaz pour l'admis- sion du gaz, comportant des orifices de sertie axiaux et radiaux pour le gaz. Ce brûleur est conçu et réalisé de telle façon que, les pressions du gaz et de l'air admis dans le brûleur étant égales, le mélange gaz-air arrive dans le foyer de la chaudibre avec un coefficient de débit d'air de 1,05 à 1,1. Quand le garnissage est réchauffé, il se forme une flamme transparente. Toutefois, pour la réalisation de processus spéciaux, par exemple dans les fours de métallurgie, ce brûleur ne peut être employé, car il ne permet pas de produire des flammes de forme à différentes compositions des gaz, luminosités et température dans leur section, et n'assure pas un bon brassage du mélange gaz-air. On s'est donc proposé de créer un brûleur à gaz dans lequel les tubes de distribution de gaz voisins seraient disposés, les uns par rapport aux autres, de façon à assurer la production de flammes lumineuses courtes, de forme, lors de la combustion du gaz dans un flux d'air froid ou chaud, l'abaissement des propriétés oxydantes des produits de combustion et l'élévation de la température de combustion. Ce problème est résolu gracie à un brûleur à gaz comprenant une chambre dans laquelle sont montés des tubes de distribution de gaz comportant des trous de sortie axiaux et radiaux, caractérisé, d'après l'invention, en ce que les tubes de distribution de gaz voisins sont disposés, les uns par rapport aux autres, de façon que leurs bouts se trouvant du côté des orifices de sortie soient situés dans des plans différents par rapport au plan de disposition de la chambre. Grâce à une telle conception, le brûleur à gaz assure un développement libre des jets de gaz dans le flux d'air auprès de chaque tube de distribution de gaz, avec produc tion de sa propre flamme. outre, chaque tube de distribu- tion de gaz dont le bout se trouvant du côté des orifices de sortie est situé dans un plan plus rapproché du plan dans lequel est disposée la chambre, chauffe par sa flamme les parois du tube de distribution de gaz dont le bout se trouvant du côté des orifices de sortie est situé dans un plan plus plus éloigné du plan dans lequel est disposée la chambre, de sorte que le gaz circulant dans ce tube est porté à une température élevée.Le gaz chauffé sortant du tube de distribution de gaz, en se mélangeant avec l'air, produitxune flamme courte à haute température, à forte luminosité et donnant des produits de combustion moins oxydants ; le brassage du mélange gaz-air s'améliore et la combustion du gaz s'intensifie dans son ensemble. La distance (l1) entre les bouts des tubes de distribution de gaz voisins situés dans des plans différents est,d'après l'invention, comprise entre 0,3 et 12 fois leçdiamètre (d) de ces tubes. Grtce à une telle conception, le brûleur à gaz produit une flamme courte, le brassage du mélange gaz-air s'améliore. Quand, dans le brûleur à gaz, la distance (11) entre les bouts des tubes de distribution de gaz voisins situés dans des plans différents est inférieure à 0,3 fois leur diamètre (d), la température de combustion s'abaisse fortement, car, dans ce cas, le gaz n'est pas réchauffé dans les tubes de distribution de gaz, aussi sa combustion n > est-t-elle pas complète. D'autres part, quand la distance (l1) entre les bouts des tubes de distribution de gaz voisins situés dans des plans différents est supérieure à 12 fois leur diamètre (d), les tubes de distribution de gaz dans les zones à haute température des flammes entrent en fusion. Du fait que, dans le brûleur à gaz, les bouts des tubes de distribution de gaz dépassent hors de la chambre sur une longueur (12) comprise entre 0,3 et 12 fois leur diamètre (d), le brûleur à gaz assure la combustion du gaz dans une flamme lumineuse courte avec une haute température de combustion. En effet, quand les bouts des tubes de distribution de gaz dépassent hors de la chambre juElutà une distance (12) inférieure à 0,3 fois leur diamètre (d), le brûleur n1 assure pas un bon brassage du mélange gaz-air, aussi ne produit-t-il pas une flamme courte, car il ne se crée pas un tourbillonnement intense des jets de gaz, contribuant au rapprochement du~front dlinflananation du gaz par rapport aux orifices de sortie des tubes de distribution de gaz. Par ailleurs, si le brûleur à gaz est réalisé de façon que les bouts des tubes de distribution de gaz dépassent hors de la chambre jusqu'à une distance (12) supérieure à 12 fois leur diamètre (d), tout le brûleur peut entre mis hors d'usage, car, dans ce cas, il peut y avoir fusion des tubes de distribution de gaz se trouvant à la périphérie de la chambre du brûleur à gaz. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue d'ensemble d'un brûleur à gaz conforme à l'invention (coupe longitudinale) - la figure 2 représente le brûleur de la figure 1 (vue de devant) - la figure 3 représente une vue en coupe suivant ItI-III de la figure 2 - la figure 4 représente un brûleur à gaz conforme à l'invention, dans lequel la longueur des tubes de distribution de gaz augmente ou diminue successivement - la figure 5 représente un brûleur à gaz conforme à l'invention, dans lequel la longueur des extréiltés des tubes de distribution de gaz augmente quand on va des parois de la chambre à sa ligne axiale - la figure 6 représente un brûleur à gaz conforme à l'invention, dans lequel la longueur des extrémités des tubes de distribution de gaz diminue quand on va du centre de la chambre à ses parois. Le brûleur à gaz comprend une chambre 1 dans laquelle sont montés des tubes 2 de distribution de gaz. Les tubes 2 de distribution de gaz comportent des orifices de sortie axiaux 3 et radiaux 4. Les tubes 2 de distribution de gaz voisins sont disposés, les uns par rapport aux autres, de telle façon que leurs bouts 5 comportant les orifices de sortie 3, 4 soient situés dans des plans différents par rapport au plan de la chambre 1. La distance (11) entre les bouts 5 des tubes 2 de distribution de gaz voisins situés dans des plans différents est comprise entre 0,3 fl 12 fois leur diamètre (d). En outre, les bouts 5 des tubes 2 de distribution de gaz dépassent au-delà de la chambre 1 sur une distance (12) comprise entre 0,3 et 12 fois leur diamètre (d). En combinant la disposition des tubes 2 de distribution de gaz dans la chambre 1, on peut produire des flammes communes différant entre elles par la forme, les zones de température, ainsi par les compositions des gaz et par la luminosité. Ainsi, par exemple, l'augmentation ou la diminution successive de la longueur des tubes 2 de distribution de gaz (figure 4) permet de produire desflammes lumineuses uniformes par leur composition et leur température, tant lors de la combustion du gaz dans l'air chaud que lors de sa combustion dans l'air froid, ladite uniformi- té étant obtenue dans les sections de la flamme parallèles au plan dans lequel se trouvent les points saillants des parois en bout des tubes 2 de distribution de gaz. L'allongement successif des extrémités des tubes 2 de distribution de gaz quand on va des parois de la chambre 1 à sa ligne axiale (figure 5) permet de produire une zone saillante fortement lumineuse et à haute température au centre de la flamme commune. I > 'allongement successif des extrémités des tubes de distribution de gaz 2 quand on va du centre de la chambre 1 à ses parois (figure 6), contribus i l'obtention d'une luminosité plus intense de la flamme commune dans ses zones périphériques. On peut aussi réaliser la disposition des tubes 2 de distribution de gaz les uns par rapport aux autres suivant des combinaisons bien plus compliquées et obtenir ainsi des flammes de formes variées complexes.En déplaçant les tubes 2 dans la chambre 1, on peut changer la forme et les dieensionss de la flamme commune, ainsi que la disposition de ses zones, pendait le fonctionnement du brûleur0 La chambre 1 peut avoir dans sa section de sortie la forme d'un rectangle, d'une croix, d'un U, d'un T, d'un cercle, d'un ovale, d'un triangle, d'un polygone ou d'une figure plus complexe, ce qui permet d'adapter les brûleurs à gaz de conception conforme à l'invention en vue de leur utilisation dans des foyers et des fours de forme quelconque. Le brûleur à gaz fonctionne de la façon suivante. On admet dans la chambre 1 de l'air froid ou chaud, puis on admet le gaz combustible dans les tubes 2 de distribution de gaz. En sortant par les orifices axiaux et radiaux 3, 4 des tubes 2 de distribution de gaz, le gaz combustible se mélange avec l'air et s'enflamme. Le gaz étant distribué dans le flux d'air sous la forme de jets, il se produit auprès de chaque tube 2 de distribution de gaz un fort tourbillonnement qui contribue au rapprochement du front d'inflammation du gaz par rapport aux orifices de sortie 3, 4 des tubes 2 de distribution de gaz.Comme les bouts 5 des tubes 2 de distribution de gaz voisins sont situés dans des plans différents, les jets de gaz issus de chaque tube 2 de distribution de gaz se développent librement dans le flux d'air en formant la propre flamme de ce tube, chaque tube 2 de distribution de gaz disposé plus profondément réchauffe par sa flamme les parois du tube 2 de distribution de gaz le dépassant, aussi le gaz admis par ce tube est-il porté à une haute température. En sortant par les orifices 3, 4 du tube 2 de distribution de gaz, le gaz réchauffé engendre, en se mélangeant à l'air, une flamme courte à haute température et forte luminosité, ainsi que des produits de combustion moins oxydants. Le brûleur à gaz conforme à l'invention permet de produire des flammes courtes, lumineuse, de forme, avec admission d'air chaud ou froid, d'abaisser les propriétés oxydantes des produits de combustion, ce qui est indispensable pour le déroulement normal du processus dans un cubilot, surtour si la charge contient de l'acier. La possibilité de produire des flammes courtes lumineuses lors de la combustion du gaz naturel dans un flux d'air froid, permet d'intensifier la transmission de chaleur par rayonnement, d'accrottre le rendement thermique des appareils thermiques, de diminuer l'usure du garnissage et les dimensions des chambres de brûleur. Le brûleur à gaz faisant l'objet de l'invention assure la fiabilité et la sécurité de marche, sans sauts ou décollements de la flamme ; son allumage est facile. Gracie à la formation de tourbillonnements dans les flux de mélange gaz-air auprès de chaque brûleur à gaz, lors de l'allumage le front de flamme se propage rapidement, ce qui contribue à la stabilisation de la combustion, à la diminution de la longueur de la flamme, à ltélévation de la température de combustion.Le brûleur à gaz conforme à l'invention peut fonctionner avec des pressions du gaz et de l'air basses, moyennes et hautes, les coefficients de débit étant plus grands ou plus petits que I'unité. Le gaz employé peut être de diverses natures gaz naturel, acétylène, propane, butane, hydrogène, sousproduit de fabrication, gaz de gazogène, gaz de coke, gaz de cubilot, ainsi qu 'un mélange de gaz combustibles. L'air peut être enrichi en oxygène, ou bien on peut employer de l'oxygène pur en tant que comburant. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons Si cellesci sont exécutées suivant son esprit et lises en zabre dans le cadre de la protection comme revendiquée, REVENDICATIONS 1. Brflleur à gaz, comprenant une chambre (1) dans laquelle sont montés des tubes de distribution de gaz (2) comportant des orifices de sortie axiaux (3) et radiaux (4), caractérisé en ce que les tubes de distribution de gaz (2) mutuellement voisins sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon que leursbouts (5) comportant les orifices de sortie (3, 4) soient situés dans des plans différents par rapport au plan de disposition de la chambre (1). 2. Brûleur à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (11) entre les bouts, situés dans des plans dirférents, des tubes de distribution de gaz voisins est comprise entre 0,3 et 12 fois le diamètre (d) de ces tubes. 3. Brûleur à gaz selon l'une des revendicationa 1 et 2, caractérisé en ce que les bouts des tubes de distribution de gaz dépassent hors de la chambre sur une distance (12) comprise entre 0,3 et 12 fois leur diamètre (d).