Brevet FR2578627A1 — publié le 19860912

REACTEUR THEP IQUE POUR CHAUDIERE La présente invention concerne les dispositifs pour contenir et contrôler la combustion de matières combustibles, gazeuses ou particulaires, dans de l'air. De tels dispositifs, communément appelés incinérateurs ou brûleurs,- et psr exemple, le brûleur de gaz décrit dans le brevet français 1 440 408,-comprennent une enceinte formée d'une paroi latérale limitée par- deux parois extrêmes d'entrée et de sortie ; la paroi extrême d'entrée est munie d'une ouverture centrale pour l'entrée de matières combustibles et d'air ; la paroi extrême de sortie est munie d'une ouverture centrale pour la sortie des produits de combustion ; une paroi intermediaire, séparant l'enceinte en deux parties, comporte une zone centrale formant obstacle pour les gaz de combustion provenant de l'ouverture d'entrée, et comporte une zone périphérique munie de lumières pour le passage des gaz. Lors de l'utilisation de tels brûleurs connus, on constate que les gaz passant dans l'orifice de sortie ne sont pas intégralement brûlés, et que des dépôts carbonés s'effectuent sur certaines parties internes du brûleur. Des flammèches sont visibles en sortie du dispositif, démontrant un fonctionnement insuffisant. La présente invention a notamment pour objet d'éviter les inconvénients des dispositifs connus en proposant une nouvelle structure de réacteur assurant un rayonnement optimal de l'énergie calorifique dégagée dans le réacteur. Selon un autre objet de l'invention, la combustion est nettement améliorée, ce qui peut se vérifier par l'absence de flammèches en sortie et l'absence de dépôt charbonné à l'intérieur. Des mesures de rendement ont egalement démontrées l'amélioration de la combustion, l'amélioration étant de l'ordre de 15 à 25 %, et pouvant atteindre 40 7. Selon un autre objet de l'invention, la vitesse des gaz, en sortie du dipositif, est relativement grande, favorisant les échanges à l'intérieur d'une chaudière dans laquelle peut être contenu le réacteur. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le réacteur de la présente invention comprend une paroi intermédiaire munie d'une avancée dont la surface antérieure est plane ou légèrement concave, formant un creux de profondeur comprise entre 1 et 2 cm, et formée en un matériau réfractaire. On a pu constater que cette conformation favorise le retour rapide du coeur de flamme, reportant à une phase ultérieure son mélange avec les gaz de la partie périphérique de flammes. Il se trouve que la combustion est alors nettement améliorée. Selon un autre objet de l'invention, la zone périphérique de la paroi intermédiaire comporte des lumières occupant la quasi-totalité de sa surface, les lumières étant séparées seulement par des pattes de liaison radiales reliant la zone centrale et la paroi- latérale de l'enceinte ; de façon préférée, les pattes radiales s'engagent dans des lumières correspondantes de la paroi latérale de l'enceinte. Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi extrême d'entrée comprend une face intérieure sensiblement plane en un matériau réfractaire. Par rapport à des dispositifs connus tels que celui du brevet cité précédemment, on a pu constater qu'une telle disposition augmente, a elle seule, le rendement de plus de 3 7.. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un réacteur selon la présente invention - la figure 2 représente une vue en coupe transversale selon le plan A-A de la figure 1 ; et - la figure 3 représente une vue en perspective du support de réacteur. Comme le représentent les figures, le réacteur comprend une enceinte 1 formée d'une paroi latérale 2, d'une paroi extrême d'entrée 3, d'une paroi extrême de sortie 4, et d'une paroi intermédiaire 5. La paroi 5 sépare le réacteur en une première partie 6 et une deuxième partie 7. La paroi intermédiaire 5 comporte une zone centrale 10 formant obstacle pour les gaz de combustion provenant de l'ouverture d'entrée 8 la paroi intermédiaire 5 comprend en outre une zone périphérique 11 entourant la zone centrale 10, et munie de lumières pour le passage des gaz entre la première partie 6 et la seconde partie 7 du réacteur. La paroi intermédiaire 5 comprend, au milieu de sa zone centrale 10, une avancée 14 dont la surface antérieure 14a est plane, ou de préférence légèrement concave. La surface 14a forme un léger creux de profondeur comprise entre 0 et 2 cm, et est réalisée en un matériau réfractaire. Selon le mode de realisation représentée sur la figure, la zone centrale 10 comprend un cylindre métallique borgne 15, de longueur t,; ouvert du côté de l'ouverture d'entrée 8, et rempli d'une pâte réfractaire 16. On utilisera, par exemple, une pâte refractaire vendue sous le nom de metafix-PS4, vendue par la Société tAFARGE. La longueur L est comprise entre 5 et 7 cm, de préférence 6 cm. La paroi d'entre 3 3 est munie d'une ouverture centrale 8 par laquelle l'utilisateur introduit les matières et l'air à brûler. La paroi d'entrée 3 comprend une face intérieure 12 sensiblement plane, et est réalisée au moins partiellement en un matériau réfractaire formant la surface 12. On pourra utiliser de préférence un réfractaire de type fibre céramique tel que le keranap-50 produit par la Société LAFARGE. On peut, par exemple, utiliser une couronne en matière réfractaire, telle que représentée sur la figure, bloquée en butée contre une couronne métallique intérieure 21 soudée à la paroi latérale 2. La paroi extrême de sortie 4 est de forme conique se rétrécissant vers la sortie et comporte une ouverture 9 pour la sortie des produits après combustion ; son ouverture 9 est centrale, et l'angle au sommet du cône est compris entre 140 et 145 . Cette disposition, dans le cas d'une utilisation du réacteur dans une chaudière, favorise en sortie ltécoulement laminaire des gaz et améliore leur répartition dans la chaudière pour l'utilisation ultérieure et l'échange thermique. Pour cela, il est intéressant de placer, en dehors du réacteur thermique, et au voisinage de sa sortie, un déflecteur 13 renvoyant les gaz brûles en direction de l'arrière, sur les côtés du réacteur. ta paroi intermédiaire 5 est solidarisée à la paroi latérale 2 au moyen de pattes de fixation radiales s'engageant dans des lumières correspondantes de la paroi latérale 2. La fixation du réacteur dans une chaudière est assurée par des tiges filetées 22, solidaires de la paroi latérale 2, s'engageant dans des trous de la plaque foyère 23, et solidarisées par des boulons ; le corps du réacteur peut reposer sur un support. Compte tenu des élévations de température relativement importantes, il est souhaitable que la totalité de la paroi latérale 2 soit à la même température ou à des températures très voisines. Pour cela, le réacteur est posé sur un support particulier évitant de perturber la symétrie de répartition de chaleur. On a représenté sur les figures un tel support 17, qui comprend des longerons 18 maintenant la paroi latérale 2 sur la quasi-totalité de sa longueur, les longerons reposant sur un caisson 19 formé de parois latérales et solidaires de cales 20 à hauteur réglable. Selon un enseignement particulièrement important de la présente invention, les dimensions relatives et volumes des:parties du dispositif sont choisis pour améliorer considérablement la qualité du fonctionnement. Ainsi, de nombreux essais ont permis de déterminer la méthode suivante pour le choix des dimensions. Les volumes et dimensions indiqués, que l'on appelle longueur unitaire, surface unitaire, volume unitaire, correspondent à un débit de 1 kilogramme par heure de carburant tel que le fuel. Pour calculer les grandeurs réelles, tous les volumes et dimensions indiques doivent être multipliés par la valeur en kilogrammes du débit horaire réel de carburant qu'il faut utiliser pour produire la puissance maximale recherchée, compte tenu d'un rendement normal. Ainsi, le volume global du recteur est déterminé de la façon suivante - pour un réacteur dont la puissance maximale est comprise entre 17 et 47 kilowatts, le volume unitaire total est de 3 dm environ pour un réacteur dont la puissance maximale est comprise entre 47 et 420 kilowatts, le volume unitaire doit etre de 3,5 dm3 environ ; pour un réacteur dont la puissance maximale est comprise entre 420 et 1 200 kilowatts, le volume unitaire est de 4 dm3. La surface unitaire de l'ouverture de sortie 9 est comprise 2 entre 20 et 23 cm La surface unitaire de la surface antérieure 14a de la paroi 2 intermédiaire 5 est comprise entre 12 et 15 cm La surface unitaire totale des lumières de la zone périphérique 2 11 de la paroi intermédiaire 5 est comprise entre 15 et 18 cm Par ailleurs, la paroi intermédiaire 5 est nettement plus proche de la paroi extrême de sortie 4 que de la paroi extrême d'entrée 3 : la distance entre la base du cône de la paroi extrême de sortie 4 et la paroi intermédiaire 5 est comprise entre 3 et 5 cm, de préférence 4 cm. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa tion qui ont té explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Réacteur thermique de chaudière, comprenant une enceinte (1) formée d'une paroi latérale (2), d'une paroi extrême d'entrée (3) munie d'une ouverture centrale (8) pour l'entrée de matières combustibles et d'air, d'une paroi extrême de sortie (4) munie d'une ouverture (9) pour la sortie des produits de combustion, et d'une paroi intermédiaire (5) comportant une zone centrale (10) formant obstacle pour les gaz de combustion et comportant une zone périphérique (11) munie de lumières pour le passage des gaz, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (5) comprend une avancée (14) dont la surface antérieure (14a) est plane ou légèrement concave, formant un creux de profondeur comprise entre 0 et 2 cm, la surface antérieure étant réalisée en matériau réfractaire. 2 - Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface antérieure (14a) de l'avancée (14) a une surface unitaire comprise entre 12 et 15 cm et en ce que la longueur (L) de l'avancée est comprise entre 5 et 7 cm. 3 - Réacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone périphérique (11) de la paroi intermédiaire comporte des lumières occupant la quasi-totalité de sa surface, les lumières étant limitées seulement par des pattes de liaison (20) radiales reliant la paroi intermédiaire et la paroi latérale (2) de l'enceinte, et en ce que la surface unitaire de l'ensemble des lumières est comprise entre 15 et 18 2 cm 4 - Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (5) est reliée à la paroi latérale (2) par des pattes radiales (20) solidaires de la paroi intermédiaire, et s'engageant dans des lumières correspondantes de la paroi latérale (2). 5 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi extrême d'entrée (3) comprend une face intérieure (12) plane et réalisée en matériau réfractaire. 6 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi extrême de sortie (4) est de forme conique se rétrécissant vers la sortie, dont Z'ouvrture (9) a une 2 surface unitaire comprise entre 20 et 23 cm , et dont l'angle au sommet est compris entre 160 et 145". 7 - Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi intermediaire (5) comporte un cylindre métallique borgne (15), solidaire des pattes radiales (20) et rempli - d'une pâte en matériauréfractaire (16) pour former la surface antérieure (14a) réfractaire. 8 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le volume unitaire global du réacteur, défini par la paroi latérale et les parois extrêmes, est choisi en fonction de la puissance globale - pour une puissance globale comprise entre 17 et 47 kilowatts, le volume unitaire est de 3 dm3 - pour une puissance globale comprise entre 47 et 420 kilowatts, le volume unitaire est de 3,5 dm ; - pour une puissance globale comprise entre 420 et 1 200 kilowatts, le volume unitaire est de 4 dm3. 9 - Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un support (17) comportant des longerons (18) supportant la paroi latérale (2) sur la quasi-totalité de sa longueur et reposant sur un caisson (19) creux à parois verticales muni de câles à hauteur réglable. 10 - Chaudière, caractérisée en ce quelle comprend un réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant en outre une paroi (13) proche de l'ouverture de sortie (9) du réacteur pour former déflecteur.