Brevet FR2576397A1 — publié le 19860725

La présente invention a essentiellement pour objet un procédé de préchauffage par des gaz de combus- tion d'un gaz comburant avant son mélange avec un gaz combustible dans un brûleur. L'invention vise également un dispositif de préchauffage associé à un brûleur pour la mise en oeuvre de ce procédé.- On a déjà proposé un certain nombre de solutions techniques pour récupérer la chaleur des produits de combustion issus par exemple d'une enceinte thermique, dans le but de réchauffer le gaz comburant avant son mélange avec le gaz combustible passant dans le brûleur associé à ladite enceinte thermique. Un tel réchauffage du gaz comburant à l'aide des produits de combustion permet, comme on le comprend, une amélioration du rendement de l'opération. Parmi les solutions proposées jusqu'à présent, on peut citer les brûleurs dits auto-récupérateurs, qui utilisent la chaleur des produits de combustion pour réchauffer l'air comburant au niveau du brûleur lui-même, avant qu'il soit mélangé avec le gaz combustible. Toutefois, ce genre de brûleur présente un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels il faut citer le détournement d'une partie des gaz de combustion ce qui limite par conséquent les échanges par convection les limites d'utilisation en température, et le coût élevé. Aussi, la présente invention a pour but de remédier notamment aux inconvénients ci-dessus en propo- sant un nouveau procédé et dispositif de préchauffage du gaz comburant, ce procédé et ce dispositif améliorant considérablement les échanges thermiques gaz de combus- tion-gaz comburant, permettant la récupération de la quasi-totalité de l'énergie perdue dans les gaz de combus- tion, présentant une très grande fiabilité par le fait que les éléments soumis à haute température ne sont pas métalliques contrairement aux brûleurs antérieurs, et présentant une grande simplicité en même temps qu'un coût peu élevé. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de préchauffage par des gaz de combustion d'un gaz comburant avant son mélange avec un gaz combustible dans un brûleur, caractérisé en ce que le gaz comburant est tout d'abord réchaufféen amontdu brûleur paréchange ther- mique à contre-courant avec lui-même puis à co-courant avec les gaz de combustion, et ledit gaz comburant est ensuite réchauffé dans ledit brûleur par échange ther- mique à co-courant puis à contre-courant avec les gaz de combustion pour être finalement mélangé avec le gaz combustible dont la combustion pourra servir à chauffer une enceinte thermique quelconque. Suivant une autre caractéristique de ce procédé, le gaz comburant après préchauffage en amont du brûleur, de même que les gaz de combustion, sont injectés tangen- tiellement dans ce brûleur pour provoquer une rotation desdits gaz avec l'échange thermique qui a lieu dans le brûleur. Une telle rotation favorisera avantageusement les échanges thermiques gaz de combustion-gaz comburant au niveau du brûleur. L'invention vise également un dispositif de préchauffage associé à un brûleur pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, ce dispositif étant caractérisé par un caisson contenant un premier échangeur gaz de combustion-gaz comburant et un deuxième échangeur gaz de combustion- gaz comburant incorporé audit brûleur, le premier échangeur étant disposé verticalement au-dessus de l'ensemble brûleur-deuxième échangeur et comportant une sortie gaz comburant réchauffé et une sortie gaz de combustion raccordées à cet ensemble par des moyens assurant notamment la rotation desdits gaz dans le deuxième échangeur. Ainsi, la combinaison des deux récupérations de chaleur des produits de combustion respectivement dans le premier échangeur vertical supérieur, et dans le deuxième échangeur inférieur incorporé au brûleur, permettra des échanges par convection particulièrement élevés conduisant à un réchauffage remarquablement efficace du gaz comburant et par conséquent à un rende- ment de chauffe par combustion du gaz combustible qui sera excellent. Suivant une autre caractéristique de ce dispo- sitif, le premier échangeur précité comprend un conduit vertical et axial d'arrivée du gaz comburant, ce conduit débouchant à la partie supérieure d'une première enveloppe coiffant et entourant coaxialement ledit conduit pour définir un espace de circulation du gaz comburant, tandis qu'une deuxième enveloppe entoure coaxialement la première enveloppe pour définir avec elle un espace de circulation des gaz de combustion. Selon encore une autre caractéristique de ce dispositif, le deuxième échangeur précité comprend trois tubes concentriques entourant coaxialement une conduite d'alimentation en gaz combustible et définissant d'une part un espace externe et un espace interne communicants dans lesquels circule le gaz comburant, et d'autre part un espace intermédiaire de circulation des gaz de combus- tion. Il est important de préciser ici que l'espace de circulation du gaz comburant dans le premier échangeur communique avec l'espace externe précité du deuxième échangeur par un conduit raccordé tangentiellement au tube concentrique le plus extérieur, de même que l'espace de circulation des gaz de combustion dans le premier échangeur communique avec l'espace intermédiaire précité du deuxième échangeur par un autre conduit raccordé tangentiellement au tube concentrique intermédiaire. Selon encore une autre caractéristique du dispo- sitif de l'invention, la conduite d'alimentation en gaz combustible comporte une extrémité sensiblement conique avec des orifices communiquant avec l'espace interne précité du deuxième échangeur, cet espace étant défini par le tube concentrique le plus intérieur et ladite conduite d'alimentation. Suivant un mode de' réalisation préféré, la deuxième enveloppe précitée du premier échangeur est constituée par le caisson précité et par la paroi d'une enceinte thermique comportant de préférence à sa partie supérieure une ouverture communiquant avec l'espace de circulation des gaz de combustion dans ce premier échangeur. On précisera encore ici que le caisson précité est avantageusement réalisé en maçonnerie à base de maté- riaux réfractaires, de sorte que les gaz de combustion à haute température ne seront pas en contact avec des parties métalliques qui risqueraient d'être détériorées sous l'effet de températures trop élevées. Mais d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés unique- ment à titre d'exemple, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif selon l'invention associé à une enceinte thermique représentée partiellement, - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, et - la figure 3 est une vue très schématique et en perspective d'une enceinte thermique équipée d'une batterie de dispositifs conformes au principe de l'invention. Suivant un exemple de réalisation, et en se repor- tant à la figure 1, on voit qu'un dispositif selon l'inven- tion comprend essentiellement un caisson i contenant un premier échangeur indépendant 2 et un deuxième échangeur 3 associé à un brûleur, le premier échangeur 2 présentant la forme générale d'un doigt de gant et étant agencé verticalement au-dessus de l'ensemble brOleur-deuxième échangeur 3. L'échangeur 2 est disposé verticalement le long de la paroi 4 d'un four 5 qui, suivant l'exemple de réalisation représenté, est un four de fusion à creuset 6 susceptible de recevoir une charge 7 chauffée par les gaz de combustion circulant dans l'enceinte thermique 8 formée entre le creuset 6 et la paroi 4 du four qui est, comme connu en soi, réalisée en un matériau réfractaire. Cet échangeur primaire ou supérieur 2 comprend un conduit vertical central ou axial 9 alimenté en gaz comburant, tel que par exemple de l'air, qui est introduit à l'entrée 10 de ce conduit à la partie inférieure de l'échangeur 2. Le conduit 9 débouche par sa partie supé- rieure Il dans une première enveloppe 12 qui coiffe et entoure coaxialement le conduit 9 pour définir entre elle et ce conduit un espace ou une voie 13 de circulation du gaz comburant. Une deuxième enveloppe entoure coaxialement la première enveloppe 12 pour définir avec elle un espace 14 de circulation des gaz de combustion. Suivant un exemple préféré de réalisation, la deuxième enveloppe en question est constituée par le caisson 1 lui-même et par la paroi 4 du four 5 qui ferme en quelque sorte le caisson 1. L'espace 14 est en communi- cation avec l'enceinte thermique 8 grâce à au moins une ouverture 15 ménagée au travers de la paroi 4 dans sa partie haute, comme on le voit bien sur la figure 1. On remarquera ici que l'échangeur 2 en forme de doigt de gant offre une surface d'échange assez grande pour un faible encombrement, ses dimensions étant fonction de la hauteur du four 5. Par ailleurs, ce système offre la possibilité de choisir le point- de prélèvement des gaz de combustion,ce qui permet d'améliorer les échanges par convection puisque l'on évitera avantageusement le détour- nement d'une partie des gaz de combustion, ce qui était le cas dans les brûleurs auto-récupérateurs connus. Le deuxième échangeur 3 est associé à un brûleur alimenté en gaz combustible par une conduite 16 se termi- nant par une extrémité conique 17 comportant des orifices 18. Comme on le décrira plus loin, la partie conique perforée 17 permet le mélange du gaz combustible avec l'air comburant préchauffé tout en stabilisant la combustion dans la chambre de combustion du brûleur que l'on a repéré d'une manière générale en C. Comme cela est connu en soi, le brOleur est complété par un ouvreau 19 en béton réfractaire dans lequel se développe la combustion de façon intensive, la vitesse des gaz à la sortie de l'ouvreau étant voisine de 50 m/s. L'échangeur 3 incorporé au brûleur comprend trois tubes ou enveloppes concentriques entourant coaxialement la conduite 16 d'alimentation en gaz combustible. Plus précisément, le repère 20 désigne le tube le plus intérieur, le repère 21 le tube intermédiaire, et le repère 22 le tube le plus extérieur qui, suivant l'exemple de réalisation représenté, est constitué par la paroi interne du caisson 1. Le tube le plus extérieur 22 et le tube intermé- diaire 21 définissent un espace externe 23, tandis que le tube le plus intérieur 20 et la conduite 16 définissent un espace annulaire interne 24. Les deux espaces externe 23 et interne 24 sont communicants, comme on le voit en 25, et constituent une voie de passage pour le gaz comburant réchauffé. Les tubes concentriques intermédiaire 21 et intérieur 20 définissent un espace intermédiaire 26 dans lequel circulent les gaz de combustion. On comprend donc que le circuit des gaz de combustion est en quelque sorte inséré entre deux circuits d'air comburant. On remarquera ici que l'espace annulaire 26 de circulation des gaz de combustion communique avec l'extérieur par une cheminée 27. Comme cela apparaît clairement sur la figure 2, l'espace 13 de circulation du gaz comburant dans le premier échangeu_ 2 communique avec l'espace externe 23 du deuxième échangeur 3 par un conduit 28 raccordé tangentiellement au tube concentrique le plus extérieur 22, c'est-à-dire au caisson 1 dans l'exemple représenté. De même, l'espace 14 de circulation des gaz de combustion-dans le premier échangeur 2 communique avec l'espace intermédiaire 26 dans le deuxième échan- geur 3 par un autre conduit 29 raccordé tangentiellement lui aussi au tube concentrique intermédiaire 21. Une telle liaison tangentielle des conduits 28 et 29 permet la circulation et la rotation du gaz com- burant et des gaz de combustion dans l'échangeur 3, ce qui améliore considérablement les échanges thermiques. Mais on expliquera maintenant en détail le fonc- tionnement du dispositif décrit ci-dessus en se reportant aux figures 1 et 2 sur lesquelles on a matérialisé le trajet de l'air comburant par des flèches à trait unique, et le trajet des gaz de combustion par des flèches à double trait ce qui facilitera la compréhension. L'air comburant admis en 10 s'écoule dans le conduit central 9 du premier échangeur 2 puis dans l'es- pace ou voie de passage 13 pour ainsi subir un échange thermique à contrecourant avec lui-même. On remarquera ici qu'une telle circulation du gaz comburant à contre- courant résulte du fait que l'enveloppe 12 comporte une extrémité supérieure 30 qui est fermée et qui coiffe en quelque sorte l'extrémité débouchante 11 du conduit 9. La veine de gaz comburant passant-dans l'espace 13 est réchauffée par échange thermique à courant parallèle avec les gaz de combustion sortant de l'enceinte thermique 8 par l'ouverture 15 et circulant dans l'espace 14. L'air comburant parvient ensuite dans l'échangeur 3 o il subit un échange thermique à co-courant dans l'espace externe 23 puis à contre- courant dans l'espace interne 24 avec les gaz de combustion circulant dans la voie de passage intermédiaire 26, comme cela est clairement matérialisé par les flèches sur la figure 1. On précisera ici que grâce à l'in- jection tangentielle des gaz de'combustion par le conduit 29, ces gaz seront plaqués contre la paroi ou tube inter- médiaire 21 en contact avec l'air comburant véhiculé à co-courant dans l'espace externe 23, ce qui, comme on le comprend, améliore les échanges. De même, l'injection tangentielle par le conduit 28 du gaz comburant permettra à celui-ci d'être plaqué contre le tube concentrique 20 au retour du gaz comburant dans l'espace interne 24 o il est à contre- courant avec les gaz de combustion et à co-courant avec le gaz combustible dans la conduite 16. Dès lors, on comprend qu'au niveau de l'échangeur 3, l'échange thermi- que sera considérablement favorisé par le fait que les veines 23, 24 d'air comburant seront en contact intime avec les tubes ou parois 20, 21 entre lesquelles circulent les gaz de combustion. Dès lors, on comprend que la chambre de combus- tion C du brûleur sera alimentée en air comburant efficacement réchauffé qui se mélangera au gaz combustible de façon à obtenir un rendement de chauffe élevé dans l'enceinte thermique 8. Le brûleur est bien-entendu muni,comme connu en soi, d'un allumage électrique ainsi que de moyens appropriés assurant la sécurité de flamme. Le dispositif selon l'invention peut recevoir de nombreuses applications parmi lesquelles on peut citer des fours de forge, les fours de réchauffage des métaux, les fours de traitement thermique à feu nu, et les fours à creuset pour la fusion de métaux divers. Comme on le voit sur la figure 3, on peut facilement adapter sur un four F une batterie de dispositifs conformes aux principes de cette invention. On a donc réalisé suivant l'invention un dispositif de préchauffage de gaz comburant associé à un brûleur, qui est simple, compact, peu coûteux à fabriquer, et qui est très fiable et efficace sur le plan des échanges thermiques et de la résistance aux températures élevées puisque toutes les parties soumises à haute tempé- rature ne sont plus métalliques. En outre, on ajoutera que l'organisation particulière de ce dispositif est telle qu'il présente des surfaces d'échange très importantes tout en restant très compact, et qu'il permet aussi de diminuer la longueur des tuyauteries d'alimentation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Procédé de préchauffage par des gaz de combustion d'un gaz comburant avant son mélange avec un gaz combustible dans un brûleur, caractérisé en ce que le gaz comburant est tout d'abord réchauffé en amont du brûleur par échange thermique à contre-courant avec lui-même puis à co-courant avec les gaz de combustion, et ledit gaz comburant est ensuite réchauffé dans ledit brûleur par échange thermique à co-courant puis à contre- courant avec les gaz de combustion pour être finalement mélangé avec le gaz combustible. 2.- Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'après réchauffage en amont du brûleur, le gaz comburant, de même que les gaz de combustion, sont injectés tangentiellement dans ce brûleur pour provoquer une rotation desdits gaz avant l'échange thermique précité dans le brûleur. 3.- Dispositif de préchauffage associé à un brûleur pour la mise en oeuvre du procédé selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisé par un caisson (1) conte- nant un premier échangeur (2) gaz de combustion-gaz com- burant et un deuxième échangeur (3) gaz de combustion-gaz comburant incorporé audit brûleur, le premier échangeur - (2) étant disposé verticalement au-dessus de l'ensemble brûleur-deuxième échangeur (3) et comportant une sortie du gaz comburant réchauffé et une sortie du gaz de combustion raccordéesà cet ensemble par des moyens (28, 29) assurant notamment la rotation desdits gaz dans le deuxième échangeur (3). 4.- Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le premier échangeur (2) comprend un conduit vertical et axial (9) d'arrivée du gaz comburant, ce conduit débouchant à la partie supérieure d'une première enveloppe (12) coiffant et entourant coaxialement ledit conduit (9) pour définir avec lui un espace (13) de circulation du gaz comburant, tandis qu'une deuxième enveloppe entoure coaxialement la première enveloppe (12) pour définir avec elle un espace. (14) de circu- lation des gaz de combustion. 5.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce le deuxième échangeur précité (3) comprend trois tubes concentriques entourant coaxiale- ment une conduite (16) d'alimentation en gaz combustible et définissant d'une part un espace externe (23) et un espace interne (24) communicants dans lesquels circule le gaz comburant et d'autre part un espace intermédiaire (26) de circulation des gaz de combustion. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'espace (13) de circulation du gaz comburant dans le premier échangeur (2) communique avec l'espace externe précité (23) du deuxième échangeur (3), par un conduit (28) raccordé tangentiellement au tube concentrique le plus extérieur (22),de même que l'espace (14) de circulation des gaz de combustion dans le premier échangeur (2) communique avec l'espace inter- médiaire précité (26) du deuxième échangeur (3) par un autre conduit (29) raccordé tangentiellement au tube con- centrique intermédiaire (21). 7.- Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la conduite (16) d'alimen- tation en gaz combustible comporte une extrémité sensi- blement conique (17) avec des orifices (18) communiquant avec l'espace interne précité (24) du deuxième échangeur (3), défini par le tube concentrique le plus intérieur (20) et ladite conduite d'alimentation. 8.- Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la deuxième enveloppe du premier échan- geur (2) est constituée par le caisson précité (1) et par la paroi (4) d'une enceinte thermique (8) comportant de préférence à sa partie supérieure une ouverture (15) communiquant avec l'espace (14) de circulation des gaz de combustion dans ce premier échangeur. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le caisson précité (1) est réalisé en maçonnerie à base de matériaux réfractaires.