Brevet FR2511478A1 — publié le 19830218

L'invention concerne d'une manière générale un brû- leur, et plus particulièrement un brûleur linéaire à mélange de gaz. A l'heure actuelle, il existe trois types fonda- mentaux de brûleurs linéaires disponibles dans le commerce. Le premier type, et peut-être le plus ancien, est connu sous le nom de brûleur ruban et il est alimenté en air et en combustible prémélangés Environ soixante pour cent de l'air nécessaire à la combustion sont fournis par le collecteur et les orifices du brûleur, tandis que les quarante pour cent restants de l'air de combustion sont prélevés dans l'atmos- phère ambiante à proximité du brûleur Le rapport des allures d'un brûleur de ce type est de l'ordre relativement bas d'en- viron trois à un En d'autres termes, le débit de chaleur du brûleur au taux maximal de combustion n'est supérieur que d'environ trois fois au débit de chaleur du brûleur fonction- nant à son taux de combustion minimal De plus, un brûleur ruban est inutilisable dans des courants d'air, car un mouve- ment d'air, même le plus léger, provoque l'extinction de la flamme Le brûleur est incapable de fonctionner dans une atmosphère pauvre en oxygène et il est donc inutilisable dans de nombreuses applications de fours, de séchoirs et d'enceintes chauffantes Le débit maximal d'un tel brûleur est d'environ trente mille watts par mètre linéaire. Un deuxième type de brûleur linéaire est le brûleur à pré-mélange dans lequel un mélange pratiquement stoechiomé- trique d'air et de combustible est fourni au collecteur et aux orifices du brûleur Le brûleur maintient la rétention de la flamme en projetant de petits jets de flamme à partir d'une paroi de rétention d'allumage Habituellement, le rapport maximal d'allures est d'environ 8 à 1 Le débit mini- mal d'un tel brûleur est limité du fait que la vitesse de propagation de la flamme peut provoquer un retour de flamme à l'intérieur du collecteur Le débit maximal d'un brûleur àpre-mélange est d'environ quatre cent mille watts par mètre linéaire et il est limité par l'inaptitude du brûleur à maintenir la rétention de la flamme à des pressions de mélan- ge élevées et il est également limité par le bruit excessif qui résulte de ces pressions élevées Un brûleur de ce type ne convient qu'à des utilisations limitées dans des courants d'air lents et il ne convient pas bien à des applications à température élevée. Le troisième type fondamental de brûleur disponible dans le commerce comprend un collecteur de combustible ou un collecteur de combustible/air associé à deux plaques de mé- lange en acier inoxydable, placées sur les côtés du collec- teur De l'air est forcé par les ouvertures des plaques de mélange au moyen d'un ventilateur d'air de combustion monté sur le brûleur, ou bien de l'air est mis en circulation dans les ouvertures par un mouvement d'air produit à l'intérieur d'une grosse conduite Bien qu'un brûleur de ce type présente unrapport d'alluresavec excès d'air, relativement élevé, il est incapable d'être abaissé de façon stoechiométrique. Autrement dit, l'air et le combustible fournis à un tel brû- leur ne peuvent être éliminés, de sorte que seule une quanti- té suffisante d'oxygène est présente pour la combustion complète du combustible à tous les débits compris dans une large plage de débits Ce type de brûleur, du fait de la pré- sence de ses plaques métalliques de mélange, ne peut suppor- ter une exposition prolongée aux températures qu'on rencontre normalement dans des fours De plus, il est souvent néces- saire de disposer d'un brûleur capable de fonctionner dans des conditions d'équilibre stoechiométriques Le débit maxi- mal de ce type de brûleur est d'environ un million de watts par mètre linéaire. L'invention concerne d'une manière générale un brûleur linéaire perfectionné à mélange gazeux, capable de fonctionner dans des courants d'air à vitesse élevée ou à faible vitesse, dans des milieux pauvres en oxygène et dans des fours à haute température et qui, par rapport aux brûleurs linéaires antérieurs, possède un rapport d'allures stoechio- métriques notablement plus élevé et est capable de fonctionner à un débit, par mètre linéaire de brûleur, notablement plus élevé. L'invention a également pour objet un brûleur qui produit une température sensiblement uniforme sur toute sa longueur, de sorte qu'un seul brûleur, s'étendant sur la longueur d'un four à haute température, peut être utilisé à la place de plusieurs petits brûleurs, ce qui permet de réduire le coût de l'installation. L'invention concerne donc un brûleur comportant un collecteur d'air/combustible perfectionné qui présente une face de décharge comportant des canaux d'une disposi- tion particulière, qui produisent un mélange principal d'air et de combustible et un mélange secondaire d'air et de combustible formé au centre du mélange principal Le mélange secondaire situé au centre du mélange combustible principal crée une source constante d'allumage pour le mélange princi- pal. L'invention a également pour objet un brûleur pré- sentant une chambre de combustion formée par des plaques capables de supporter des températures extrêmement élevées sans se déformer. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une coupe transversale, suivant la ligne 1-1 de la figure 2, du brûleur perfectionné à mélange gazeux selon l'invention; la figure 2 est une vue partielle du brûleur sui- vant la ligne 2-2 de la figure 1; i la figure 3 est une coupe transversale partielle, à échelle agrandie, de la buse représentée sur la figure 1; la figure 4 est une vue partielle en perspective d'une autre forme de réalisation du brûleur selon l'inven- tion; et la figure 5 est une vue en perspective d'une pièce représentée sur la figure 4. Les dessins représentent donc le brûleur 10 selon l'invention destiné à être utilisé dans un four ou conçu pour être placé dans ou à proximité d'un courant d'air ou de tout autre gaz sous pression afin de chauffer le-courant Un brû- leur de ce type peut être constitué de divers tronçons droits pour former un brûleur droit ou pour former un brûleur dans la forme d'un T ou d'une croix Etant donné qu'il est consti- tué de tronçons droits, le brûleur est communément appelé "brûleur linéaire" Un tronçon droit de brûleur est repré- senté sur les figures, mais il convient de noter que le br Q- leur peut également être constitué d'un tronçon circulaire. En particulier, le brûleur 10 comprend un corps 11 en forme de caisson, réalisé en tôle et présentant une sec- tion transversale à peu près rectangulaire Le corps est défini par des parois supérieure et inférieure 12 et par deux parois extrêmes 13, une seule de ces parois extrêmes étant représentée Une paroi avant 14, sensiblement en forme de V, est placée le long des bords avant des parois 12 et se termine par un collet tubulaire 15 faisant saillie vers l'avant et présentant une section rectangulaire La partie arrière du corps est fermée par une paroi arrière 16 Une gaine tubulaire 17 aboutit dans une partie de la paroi arrière et sert à conduire un courant d'air comprimé à l'intérieur du corps 11. Une plaque 18 de distribution, qui présente plu- sieurs ouvertures espacées 19, s'étend entre les parois supérieure et inférieure 12 du corps 11 et entre les parois extrêmes 13 La plaque de distribution divise le corps en un collecteur 20 de distribution d'air, disposé en arrière, et une chambre à air 21 disposée en avant L'air s'écoule de la gaine 17 à l'intérieur du collecteur 20 de distribu- tion, puis il est dosé uniformément vers l'intérieur de la chambre à air 20 en passant par les ouvertures 19 de la plaque 18 de distribution. Un collecteur allongé 22 de combustible, réalisé en fonte et définissant une chambre 23 de combustible, est disposé à l'intérieur de la chambre à air 21 et est fixé à la plaque 18 de distribution Du gaz naturel ou tout autre combustible sous pression ( par exemple du propane ou du butane) est conduit à l'intérieur de la chambre à combus- tible 23 au moyen d'un tuyau 24 d'alimentation qui passe à travers l'une des parois extrêmes 13 du corps 11 Le collec- teur de combustible divise la chambre à air 21 en deux par- ties situées au-dessus et au-dessous de ce collecteur de combustible. Des moyens définissant une chambre 25 de combus- tion sont fixés télescopiquement sur le collet 15 du corps 11 Dans la forme de réalisation décrite, ces moyens sont représentés sous la forme d'un manchon allongé 26 réalisé en céramique ou en toute autre matière réfractaire et capa- ble de supporter des températures élevées Le manchon est fermé à ses extrémités par des plaques 27 en céramique dont l'une est représentée sur la figure 2 Le manchon 26 en céramique permet au brûleur 10 d'être utilisé dans des fours à très haute température Lorsque le brûleur est utilisé dans un fourneau et dans diverses applications de chauffage de l'air, le manchon en céramique peut être remplacé par un simple manchon à paroi mince, réalisé en métal résistant à la température. Selon l'invention, le brûleur 10 est conçu de façon particulière pour pouvoir être mis en oeuvre à des capacités extrêmement élevées par mètre linéaire de brûleur et, dans le même temps, pour présenter une possibilité d'allures stoechiométriques notablement supérieures à celles des brû- leurs antérieurs du même type général Ceci est obtenu prin- cipalement par la présence d'un dispositif perfectionné 30 de mélange qui produit un mélange principal d'air et de combus- tible le long des côtés supérieur et inférieur de la chambre de combustion tout en produisant également un mélange secondaire d'air et de combustible le long du centre du mélarge principal Le mélange secondaire constitue une source d'allu- mage constant pour le mélange principal, l'interaction des deux mélanges ayant pour, résultat de permettre au brûleur de fonctionner à des débits élevés et avec un rapport d'allu- res stoechiométriques élevé. En particulier, le dispositif 30 de mélange comprend, dans ce cas, une paroi sensiblement plane, solidaire de l'ex- trémité avant du collecteur 22 de combustible et présentant un axe central 31 qui est aligné avec l'axe central du corps Il et de la chambre 25 de combustion La paroi 30 est logée télescopiquement dans le collet 15 du corps 11 et elle est placée entre les extrémités de sortie des chambres 21 et 23 d'air et de combustible et l'extrémité d'entrée de la chambre de combustion. Deux rangées de canaux 35 pour l'air de combustion principal, espacés latéralement, sont formées à travers la pa- roi 30 et s'étendent entre la chambre à air 21 et la chambre de combustion. Les deux rangées de canaux sont placées à égale distance et de part et d'autre de l'axe central 31 de la paroi M 3, les canaux de l'une des rangées s'étendant E a Dartir de la 'artie supé- rieure de la chambre à air 21 et les canaux de la rangée inférieure s'éten- dant à partir de l'autre partie de la chambre à air Les canaux 35 pour l'air de caobustion principal sont de diamètre relativement grand et s'éten- dent à peu près parallèlement à l'axe central 31 de la paroi. Deux rangées de canaux 36 à combustible, espacés latéralement, sont également formées à travers la paroi 30 et s'étendent de la chambre à combustible 23 jusqu'à la chambre 25 de combustion Les rangées de canaux à combustible sont placées entre les rangées des canaux 35 à air de combus- tion et sont situées à égale distance de l'axe central 31 de la paroi 30 Er progressant vers la chambre 25 de combustion, les canaux 36 des deux rangées divergent symétriouement de l'axe central 31, sous un angle prédéterminé, qui est de pré- férence, mais non nécessairement, égal à environ 450 Les ca- naux 36 de combustible sortent à travers les parois intérieures de deux gorges 37 de forme sensiblement en V, s'étendant laté ralement (figure 3) et formées dans la face de décharge 38 de la paroi 30, ces gorges étant situées à égale distance de l'axe central 31. Selon l'invention, deux rangées de canaux 40 de stabilisation de l'air, espacés latéralement, sont réalisées à travers la paroi 30 Les canaux 40 de stabilisation de l'air de la rangée supérieure s'étendent des canaux supé- rieurs 35 d'air de combustion jusqu'à la chambre 25 de combustion, tandis que les canaux de stabilisation d'air de la rangée inférieure s'étendent des canaux inférieurs 35 d'air de combustion jusqu'à la chambre de combustion Les deux rangées de canaux 40 de stabilisation d'air-sont égale- ment placées à égale distance de l'axe central 31 et, en progressant vers la chambre 25 de combustion, elles conver- gent symétriquement en direction de l'axe central 31 Dans ce cas, les canaux 40 de chaque rangée convergent vers l'axe central 31 sous un angle d'environ 45 Les canaux 40 sortent par les parois extérieures des gorges 37 de forme en V. C Omme représenté sur la figure 2, les canaux 36 de combustible et les canaux 40 de stabilisation d'air ont sen- siblement le même diamètre et sont approximativement au même nombre Les canaux sont disposés de manière qu'un canal 40 de stabilisation d'air se trouve à peu près à mi-distance entre deux canaux adjacents 36 de combustible Les canaux d'air de combustion ont un diamètre notablement plus grand que celui des canaux 36 de combustible et le nombre de ces canaux 36 est à peu près égal au double de celui des canaux d'air de combustion Chaque canal 35 d'air de combustion se trouve à peu près à midistance entre deux canaux adjacents 36 de combustible et, étant donné que le canal d'air de combustion est de plus grand diamètre, ses bords chevauchent les deux canaux de combustible. Avec l'agencement décrit ci-dessus, les jets de combustible sortant des canaux 36 de combustible sont entraî- nés par l'air s'écoulant dans les canaux 35 d'air de combus- tion Et se mélangent à l'air pour former un mélange combusti- ble principal d'air et de combustible le long des parois supérieure et inférieure de la chambre 25 de combustion. Simultanément, les jets d'air passant dans les canaux 40 de stabilisation d'air attirent une partie du combustible sor- tant des canaux 36 et provoquent la formation d'un mélange combustible secondaire qui se stabilise dans la partie centrale de la chambre 25 de combustion Le mélange secondaire constitue une source d'allumage constante pour le mélange combustible principal circulant le long des parois de la chambre de combustion et il favorise une combustion efficace et stable du mélange principal. Un brûleur 10 du type décrit présente un rapport d'allures stoechtiomtriques extrêmement élevé compris entre à 1 et 30 à 1 Cette possibilité élevée de changement 1 1 478 d'allure est maintenue, que 'du propane ou du butane soit uti- lisé comme combustible à la place du gaz naturel, le brûleur étant capable de brûler ces combustibles avec une flamme bleue effilée Le brûleur est capable de fonctionner à des capacités dépassant 2 millions de watts par mètre linéaire et il peut fonctionner à la fois dans des courants d'air à vitesse élevée et à faible vitesse, ainsi que dans des milieux pauvres en oxygène Lorsque la chambre 25 de combus- tion du brûleur est constituée d'une matière réfractaire ou de la manière décrite ci-après, le brûleur peut être uti- lisé dans des fours à haute température Le brûleur produit une température sensiblement uniforme sur toute sa longueur et, par conséquent, un brûleur de grande longueur peut être utilisé à la place de plusieurs petits braleurs pour pro- lcuire une tempurature uniforme sur toute la longueur d'un four. Les figures 4 et 5 représentent un brûleur modifié ' dont-les pièces correpondant à celles de la première for- me de réalisation portent les mêmes références numériques suivies d'un signe "prime" Le brûleur 10 ' est caractérisé notamment par le fait que la chambre 25 ' de combustion est définie par plusieurs plaques 50 relativement minces, réali- sées en acier inoxydable ou en toute autre métal résistant à la température et capable de se dilater sans déformation. Les plaques 50 sont moins coûteuses que le manchon 26 de céramique du brûleur 10 et elles peuvent être adaptées plus aisément à des brûleurs de différentes longueurs. Si le brûleur 10 ' est de longueur relativement faible, une seule plaque 50 est placée le long du bord su- périeur de la chambre 25 ' de combustion, tandis qu'une autre plaque est placée le long du bord inférieur de cette chambre de combustion Cependant, dans le brûleur représenté, plu- sieurs plaques 50 sont disposées en rangées le long des côtés supérieur et inférieur de la chambre de combustion et cette dernière est donc formée de plusieurs sections Les extrémités de la chambre de combustion sont fermées par des -parois métalliques 27 ' (une seule étant représentée) qui sont des prolongements des parois extrêmes 13 '. Comme montré sur la figure 5, chaque plaque 50 est plane et rectangulaire et elle comporte un rebord avant 51 et deux rebords latéraux 52 Les plaques sont orientées de manière que les rebords avant fassent saillie vers le haut des plaques supérieures et vers le bas des plaques inférieures. Les bords arrière des plaques sont fixés aux côtés supérieur et inférieur de la paroi 30 ' par des vis 55 qui passent à travers le collet 15 '. Lors de la mise en oeuvre de l'invention, chaque io plaque 50 est associée à un profilé 57 qui permet à la plaque de se dilater latéralement sans se déformer lorsqu'elle est soumise à des températures élevées Ainsi, des profilés supé- rieur et inférieur 57 a sont fixés par des rivets 58 à la face intérieure de la paroi extrême 27 ' Un bord latéral de la plaque extrême 50 est logé de manière à pouvoir coulisser dans chaque profilé, de même que la partie extrême du rebord avant 51 de cette plaque Par conséquent, sous l'effet d'un échauffement, la plaque peut se dilater librement dans l'espace 60 situé à l'intérieur du profilé 57 a, et elle ne se gondole pas ni ne se déforme. Lorsque la chambre de combustion est définie par plusieurs sec- tions comme représenté sur les figures, un profilé supplémentaire 57 b est intercalé entre les p'laques adjacentes 50 de chaquepaire Un rebord latéral 52 d'une plaque est rivetée sur leprofilé supplémentaire 57 b, comme indiqué en 59, tandis que le bord latéral de la plaque adjacente est logé de manière a pouvoir coulisser dans ce profilé Ainsi, les diverses plaques peuvent se dila- ter librement les unes par rapport aux autres. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au brûleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVEND ICATIONS 1 Brûleur à mélange gazeux, comprenant des moyens qui définissent des chambres à air, à combustible et de com- bustion ( 21, 23, 25), des moyens destinés à alimenter respec- tivement les chambres à air et à combustible en air et en combustible sous pression, chacune desdites chambres à air et à combustible présentant une extrémité de sortie et la chambre de combustion présentant une extrémité d'entrée adja- cente aux extrémités de sortie des chambres à air et à com- bustible, un dispositif ( 30) de mélange étant placé entre l'extrémité d'entrée de la chambre de combustion et les extré- mités de sortie des chambres à air et à combustible, le brûleur étant caractérisé en ce que le dispositif de mélange comprend une structure qui présente des première et seconde rangées espacées de canaux ( 35)d'air de combustion s'étendant de ladite chambre à air jusqu'à la chambre de combustion, des première et seconde rangées de canaux ( 36) de combustible formées à travers le dispositif de mélange, entre les rangées des canaux d'air de combustion et s'étendant de la chambre à combustible jusqu'à la chambre de combustion, lesdites rangées de canaux de combustible divergeant l'une de l'autre tandis que lesdits canaux progressent vers la chambre de combustion, une première rangée de canaux ( 40) d'air de stabilisation étant formée à travers le dispositif de mélange, entre ladite première rangée de canaux d'air de combustion et ladite première rangée de canaux de combustible, et s'éten- dant de ladite chambre à air jusqu'à la chambre de combustion, et une seconde rangée de canaux ( 40) d'air de stabilisation étant formée à travers le dispositif de mélange, entre la seconde rangée de canaux d'air de combustion et la seconde rangée de canaux de combustible et s'étendant de la chambre à air à la chambre de combustion, les rangées de canaux d'air de stabilisation convergeant l'une vers l'autre tandis que ces canaux progressent vers la chambre de combustion. 2 Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens définissant la chambre à air comprennent un premier corps ( 11) et en ce que les moyens définissant la chambre à combustible comprennent un second corps ( 22) disposé à l'intérieur du premier corps et divisant la chambre à air en première et seconde parties, les première et seconde rangées de canaux d'air de combustion commnuniquant respectivement avec lesdites première et seconde parties. 3 Brûleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les canaux d'air de stabilisation de la première rangée s'étendent de la première rangée des canaux d'air de combustion jusqu'à ladite chambre de combus- tion, les canaux d'air de stabilisation de la seconde rangée s'étendant de la seconde rangée des canaux d'air de combustion jusqu'à ladite chambre de combustion. 4 Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure du dispositif de mélange présente un -axe central ( 31) de part et d'autre et à égale distance du- quel les première et seconde rangées de canaux d'air de combustion sont situées. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les rangées de canaux de combustible sont placées à égale distance et de part et d'autre de l'axe central et divergent symétriquement à partir de cet axe en progressant vers la chambre de combustion. 6 Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les première et seconde rangées de canaux d'air de stabilisation sont situées à égale distance et de part et d'autre de l'axe central et convergent symétriquement vers cet axe en progressant vers la chambre de combustion. 7 Brûleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les canaux d'air de combustion s'étendent à peu près parallèlement A l'axe central. 8 Brûleur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les canaux de combustible divergent à partir de l'axe central du même angle que les canaux d'air de stabilisation convergent vers cet axe central. 9 Brûleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit angle est d'environ 45 . Brûleur selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que le nombre des canaux d'air de stabilisation est à peu près égal au nombre des canaux de combustible, chaque canal d'air de stabilisation étant situé à peu près à mi distance entre deux canaux de combustible adjacents. 11 Brûleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre de canaux de combustible est égal à peu près au double de celui des canaux d'air de combustion, chaque canal d'air de combustion étant situé à peu près à mi-distance entre deux canaux adjacents de combustible et chevauchant ces canaux de combustible. 12 Brûleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de mélange présente une face ( 38) de décharge ayant des première et seconde gorges ( 37) de forme sensiblement en V, situées à égale distance et de part et d'autre de l'axe central et intérieurement aux première et seconde rangées de canaux d'air de combustion, les canaux de combustible sortant par les parois intérieures de ces gorges et les canaux d'air -de stabilisation sortant par les parois extérieures desdites gorges. 13 Brûleur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les moyens défi- nissant la chambre de combustion comprennent un manchon ( 26) réalisé en céramique. 14 Brûleur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé ence que les moyens définis- sant la chambre de combustion comprennent des plaques métal- liques planes ( 50) placées sur des côtés opposés de la cham- bre de combustion, et des profilés ( 57) reliés au corps et dans lesquels les bords latéraux des plaques peuvent coulisser pour per- mettre auxdites plaques de se dilater. 15 Brûleur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'une première rangée desdites plaques est placée sur un premier côté de la chambre de combustion et en ce qu'une seconde rangée desdites plaques est'placée sur le côté opposé de la chambre de combustion, un profilé étant disposé entre les plaques adjacentes de chaque paire et étant fixé à l'une des plaques tandis qu'il reçoit, en lui permettant-de coulis- ser,l'autre plaque de ladite paire.