Brevet FR2611880A1 — publié le 19880909

La présente invention concerne une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur adapté pour être utilisé dans un four de fusion de verre. Dans un four de fusion de verre classique, des gaz d'échappement chauds arrivant par l'intermédiaire d'un trou de décharge sont introduits dans un récupéra- teur de chaleur de manière à chauffer des unités réfrac- taires. Une grande partie du transfert de chaleur des gaz d'échappement chauds aux unités réfractaires est d'un type à échange de chaleur rayonnante. Au contraire, le transfert de chaleur des unités réfractaires à l'air froid est principalement du type à convection. Pour cette raison, il est important qu'une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur ait une grande surface spécifique. Egalement, un écoule- ment d'air turbulent est meilleur qu'un écoulement d'air laminaire. 2 '3 Une surface spécifique A (m /m) peut être exprimée par la relation suivante: A = S/V o S désigne une étendue de surface totale (m) d'une paroi intérieure de passage de gaz dans une unité réfractaire et Ces surfaces extérieures à l'exception de deux surfaces d'ex- trémité et de quatre surfaces de coin, et V cesilne le volume total (m3) d'un passage de gaz et de l'unité réfractaire. Le modèle d'utilité japonais déposé sous le No. 53-56 452 et le brevet japonais déposé sous le No. 55-149139 décrivent des unités réfractaires du type croisé ou du type à prisme creux. Certaines unités réfractaires classiques sont constituées d'un matériau réfractaire électro-fondu. La Figure 13 représente un agencement classique comprenant plusieurs unités réfractaires 30 du type à prisme creux. Chaque unité réfractaire 30 a une épaisseur uniforme T sur toute sa longueur. Les unités réfractaires 30 sont empilées verticalement d'une manière telle que plusieurs passages octogonaux d'écoulement 40 et passages carrés d'écoulement 60 soient formés de manière à s'étendre dans une direction verti- cale. Des gaz d'échappement chauds et de l'air froid peu- vent s'écouler dans les passages 40, 60 l'un après l'au- tre dans le but d'échanger de la chaleur. Cependant, des unités réfractaires clas- siques de ce genre ne possèdent pas une surface spécifi- que efficace. Par exemple, dans chaque unité réfractaire 30 de la Figure 13, en supposant que la section droite du passage d'écoulement est de 150 mm x 150 mm, que l'épaisseur de paroi T est de 40 mm et que la hauteur est de 150 mm, la surface spécifique est seulement de 24,1 m2/m3. Si la section de passage est de 150mmx 150mtm, l'épaisseur de paroi de 4C mm aet la hauteur de 140 mm, aloas la surface specifique a la même valeur 24,1 m/m3 que si la hauteur était de 150 mm. Du fait que les parois intérieure et ex- térieure de chaque unité réfractaire sont sensiblement planes,le gaz peut s'écouler dans les passages 40, 60 comme un écoulement d'air laminaire et comme un écoule- ment d'air turbulent. En conséquence, on ne peut pas aisément obtenir un échange de chaleur du type à convec- tion. Egalement, les parties de nervure ou de coin 50 des unités réfractaires 30 sont planes et dispo- sées en contact l'une avec l'autre. En conséquence, les unités réfractaires 30 peuvent glisser accidentellement. En particulier, si de nombreuses unités réfractaires 30 sont empilées de façon à avoir une grande hauteur, elles peuvent parfois se séparer sous l'effet d'une force ex- térieure. 26 1 1-880 L'objet de cette invention est de créer une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur dans laquelle un écoulement de gaz du type à convection peut être amélioré et ou il est possible de maintenir à une forme appropriée un ensemble de grande hauteur com- portant une pluralité d'unités réfractaires. Conformément à cette invention, une unité réfractaire a une surface spécifique accrue. L'unité réfractaire comporte une paroi intérieure d'écoulement de gaz et une paroi extérieure d'écoulement de gaz qui sont toutes deux formées au moyen d'une pluralité de bandes convexes et concaves. En conséquence, la surface spécifique accrue est plus grande qu'une surface spéci- fique d'une unité réfractaire conventionnelle comportant une paroi plane. Dans le cas de la paroi extérieure, les bandes convexes et concaves s'étendent parallèlement à une direction perpendiculaire à la ligne centrale d'un passage d'écoulement de gaz. Dans le cas de la paroi intérieure, les bandes convexes et concaves peuvent s'étendre parallè- lement à une direction perpendiculaire à la ligne cen- trale d'un passage d'écoulement de gaz. Egalement, les bandes convexes et concaves peuvent s'étendre le long de la ligne centrale du passage d'écoulement de gaz. De préférence, les bandes convexes et concaves comportent une série de crêtes et de racines qui sont disposées l'une après l'autre sous la forme d'un soufflet. Dans le cas de la paroi extérieure d'écou- lement de gaz, la ligne supérieure de chaque crête est parallèle aux deux surfaces extrêmes de l'unité réfrac- taire. Dans le cas de la paroi intérieure d'écoulement de gaz, la ligne supérieure de chaque crête est parallèle ou perpendiculaire aux deux surfaces extrêmes de l'unité réfractaire. Lorsque plusieurs unités réfractaires sont disposées en place, les bandes convexes et concaves d'une unité réfractaire entrent en contact avec celles d'une autre unité réfractaire dans des parties de coin adjacentes des unités réfractaires. Par exemple, bien que toutes les unités réfractaires aient sensiblement la même forme, elles sont conçues de manière à s'engager l'une dans l'autre dans une condition d'emboitement en retournant alternativement les différentes unités ré- fractaires. Une surface spécifique d'une unité réfrac- taire est de préférence augmentée de 40 % ou plus par comparaison à l'art antérieur de manière à obtenir d'excellents écoulements de gaz turbulents. D'autres caractéristiques et.avantages 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: la Figure 1 est une vue en perspective montrant une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur, en correspondance à une première réalisation de cette invention; la Figure 2 est une vue en coupe faite selon laligne 2-2 de la Figure 1; la Figure 3 est une vue en plan montrant comment plusieurs unités réfractaires sont associées conformément à la première réalisation de cette invention; la Figure 4 est une vue en coupe faite selon la ligne 44 de la Figure 3; la Figure 5 est une vue en perspective montrant une unité réfractaire utilisable dans un récu- pérateur de chaleur en correspondance à une seconde réalisation de cette invention; la Figure 6 est une vue en coupe faite selon la ligne 6-6 de la Figure 5; 261188C la Figure 7 est une vue en plan montrant comment plusieurs unités réfractaires sont associées conformément à la seconde réalisation de cette invention; la Figure 8 est une vue en coupe faite selon la ligne 8- 8 de la Figure 7; la Figure 9 est une vue en perspective montrent une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur correspondant à une troisième réalisation de cette invention; la Figure 10 est une vue en coupe faite selon la ligne 10-10 de la Figure 9; la Figure 11 est une vue en plan montrant comment plusieurs unités réfractaires sont associées en correspondance à la troisième réalisation de cette in- vention; la Figure 12 est une vue en coupe faite selon la ligne 12-12 de la Figure ll;-et la Figure 13 est une vue en plan schéma- tique montrant un agencement conventionnel d'unités ré- fractaires. On va maintenant donner une description détaillée des réalisations de l'invention. Les Figures 1 et 2 représentent une unité réfractaire pour un récu- pérateur de chaleur en correspondance à une première réalisation de cette invention. Un corps d'unité 1 com- prend une surface extrême supérieure la, une surface extrême inférieure lb et un passage d'écoulement de gaz 7 ayant une section droite carrée et s'étendant le long de la ligne centrale entre les surfaces extrêmes. Le corps 1 de l'unité a un contour octogonal en section droite de façon à former quatre parties de coin. Par exemple, la dimension du passage d'écoulement 7 est de mm x 150 mm et l'épaisseur W du corps d'unité 1 est de 40 mm. L'unité réfractaire est réalisée par un procédé de coulée au four électrique. 261 188C A l'exception des surfaces extrêmes la, lb, toute la paroi de l'unité réfractaire est formée d'une pluralité de bandes convexes et concaves placées en série et s'étendant parallèlement à une direction perpendiculaire à la ligne centrale du passage d'écoule- ment 7. Ainsi, une paroi extérieure lc comporte une pluralité de bandes convexes et concaves 4, tandis qu'une paroi intérieure Id comporte une pluralité de bandes con- vexes et concaves 5. Le passage d'écoulement 7 est défini par la paroi intérieure Id. Les bandes 4 et 5 sont réali- sées sous la forme de soufflets de telle sorte qu'une série de crêtes et de racines soient disposées succes- sivement. Par exemple, la hauteur h (Figure 2) est de mm. La ligne supérieure de chaque crête est orientée parallèlement aux deux surfaces extrêmes la, lb.L'angle au sommet O de chaque crête est de 90 . La hauteur H de l'unité réfractaire est de 150 mm. Les Figures 3 et 4 montrent comment plu- sieurs bandes convexes et concaves 6 d'une première unité réfractaire entrent en contact avec des bandes corres- pondantes 6 d'une seconde unité réfractaire adjacente à la première unité réfractaire lorsqu'elles sont asso- ciées. Une des quatre parties de coin 8 de la première unité réfractaire entre en contact avec la partie de coin 8 correspondante de la seconde unité réfractaire d'une manière telle que les bandes convexes soient en contact avec les bandes concaves. Bien que toutes les unités réfractaires soient sensiblement les mêmes, par un retournement al- terné d'une pluralité d'unités réfractaires,il est pos- sible de faire entrer en contact les unités réfractaires l'une avec l'autre comme le montre mieux la Figure 4. Si un ensemble de quatre unités réfractaires sont disposées dans un plan horizontal, le passage d'écoulement de gaz 7 est formé dans chaque unité réfractaire et en outre, 261188C un passage d'écoulement de gaz est défini par elle en correspondance au passage d'écoulement de gaz 60 de l'unité réfractaire classique 30 représentée sur la Figure 13. Les unités réfractaires sont disposées horizontalement en contact l'une avec l'autre et elles sont empilées verticalement d'une manière telle que plusieurs passages d'écoulement soient formés de ma- nière à être orientés dans une direction verticale. Des gaz d'échappement et de l'air froid peuvent s'écou- ler dans les passages d'écoulement l'un après l'autre dans le but d'échanger de la chaleur. Dans la réalisation des Figures 1 à 4, l'unité réfractaire a une surface spécifique de 2 3 34,1 2n /m3 (8 x 0,15 x 0,15 x 1,414) / (0,23 x 0.23 - 2 x 0,04 x 0,04) x 0,15 = 34,1 Par comparaison avec cette réalisation, une unité réfractaire du type à paroi plane classique a une surface spécifique de 24,1 m2/m3 dans le cas o l'épaisseur de paroi est de 40 mm, la section de pas- sage de gaz de 150 x 150 mm et la hauteur de 150 mm. En conséquence, une unité réfractaire conforme à cette invention peut avoir une surface spécifique augmentée de 41 %. Les Figures 5 et 6 représentent une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur correspon- dant à une seconde réalisation de cette invention. Un corps d'unité 1 comporte une surface extrême supérieure la, une surface extrême inférieure lb et un passage d'écoulement de gaz ayant une section droite sensiblement carrée et s'étendant le long de sa ligne centrale entre les surfaces extrêmes. Le corps d'unité 1 a un contour octogonal en section droite de façon à former quatre 261188C parties de coin 8. Par exemple, les dimensions du pas- sage d'écoulement 7 sont de 150 mm x 150 mmn et l'épais- seur W du corps d'unité 1 est de 40 mm. En dehors des surfaces extrêmes la, lb, l'unité réfractaire comporte une paroi intérieure ld et une paroi extérieur lc. La paroi extérieure lc comporte une pluralité de bandes convexes et concaves 4 tandis que la paroi intérieure ld comporte une pluralité de bandes convexes et concaves 5. Dans le cas de la paroi extérieure, les bandes convexes et concaves sont orien- tées parallèlement à une direction perpendiculaire à la ligne centrale du passage d'écoulement 7. Dans le cas de la paroi intérieure, les bandes convexes et concaves s'étendent le long de la liane centrale du passage d'écoulement 7. Le passage d'écoulement 7 est défini par la paroi intérieure ld. Les bandes 4 et 5 sont réalisées en forme de soufflet de sorte qu'une série de crêtes et de racines sont disposées successivement. Par exemple, la hauteur h (Figure 6) est de 10 mm. Dans le cas de la paroi extérieure lc, la ligne supérieure de chaque crête est orientée parallèlement aux deux surfaces extrêmes la, lb et la distance entre les racines ou crêtes adjacentes est de 40 mm. Dans le cas de la paroi intérieure ld, la ligne supérieure de chaue crête est orientée parallèlement à une direction perpendiculaire aux deux surfaces extrêmes la, lb, et la distance entre les racines ou crêtes adjacentes est de 20 mm. La hauteur H de l'unité réfractaire est de 140 mm. La référence W sur la Figure 6 désigne la distance entre le haut des crêtes de la paroi intérieure et le haut des crêtes de la paroi extérieure. Les Figures 7 et 8 montrent comment plu- sieurs bandes convexes et concaves 6 d'une première unité réfractaire entrent en contact avec des bandes corres- 261188. pondantes 6 d'une seconde unité réfractaire adjacente à la première unité réfractaire lorsqu'elles sont associées. La description de l'agencement des Figures 3 et 4 peut également s'appliquer à la réalisation des Figures 5 et 6. Lorsqu'une première unité réfractaire est mise en place sur une seconde unité réfractaire d'une manière telle que l'extrémité inférieure lb de la première unité réfractaire soit exactement disposée sur l'extrémité supérieure la de la seconde unité réfractaire, alors plu- sieurs passages d'écoulement 7 sont alignés le long d'une ligne centrale commune. Cependant, les unités peuvent être assemblées de toute autre manière différente. Par exemple, elles peuvent être disposées alternativement dans une direction verticale de telle sorte que les pas- sage d'écoulement 7 définis par les bandes verticales 5 et les passages d'écoulement définis par les bandes horizontales 4 soient disposés successivemenrt Dans la réalisation des Figures 5 à 8, l'unité réfractaire a une surface spécifique de 30,5 m2/m3 (4 x 0,15 x 0,14 x 2 + 4 x 0,15 x 0,14 x 1,115) /(0,23 x 0,23 - 2 x 0,04 x 0,04) x 0,14 = 30,5. Une unité réfractaire du type à paroi plane classique d'un dimensionnement correspondant à cette réalisation a une surface spécifique de 24,1 m2/m3 En conséquence, conformément à cette invention, la surface spécifique est augmentée de 26,5%. Les Figures 9 et 10 représentent une unité réfractaire pour un récupérateur de chaleur conforme à une troisième réalisation de cette invention. Un corps d'unité 1 comprend une surface supérieure la, une surface extrême inférieure lb et un passage d'écoulement de gaz 7 ayant une section droite carrée et s'étendant le long de 261188C sa ligne centrale entre les surfaces extrêmes. Le corps d'unité 1 a un contour octogonal en section droite de façon à former quatre parties de coin 8. Par exemple, le dimensionnement du passage d'écoulement 7 est de 150 mm x 150 mm et l'épaisseur W du corps d'unité 1 est de 40 mm. En dehors des surfaces extrêmes la, lb, l'unité réfractaire comporte une paroi intérieure ld et une paroi extérieur lc. La paroi extérieure lc com- porte plusieurs bandes convexes et concaves 4 tandis que la paroi intérieure ld comporte plusieurs bandes convexes et concaves 5. Le passage d'écoulement 7 est défini par la paroi intérieure ld. Les bandes 4 et 5 sont réalisées sous la forme de soufflet de sorte qu'une série de crêtes et de racines sont disposées successivement. Le rapport (H/L) de la hauteur H à la largeur L des bandes est compris de préférence entre 1/8 et 1/2. Dans la réalisation de la Figure 10, la hauteur H est de 10 mm et la largeur L de 40 mm. En conséquence, le rapport (H/L) est de 1/4. Par exemple, l'angle au sommet O de chaque crête est de 1270. La hauteur K de l'unité réfractaire est de 140 mr.. La référence W sur la Figure 10 désigne la distance entre le haut des crêtes de la paroi inté- rieure et le haut des crêtes de la paroi extérieure. Les Figures 11 et 12 montrent comment plusieurs bandes convexes et concaves 6 d'une première unité réfractaire entrent en contact avec des bandes correspondantes 6 d'une seconde unité réfractaire adja- cente à la première unité réfractaire lorsqu'elles sont associées. La description de l'agencement des Figures 3 et 4 peut également s'appliquer à l'agencement des Figures 11 et 12. 261188C i1 Dans la réalisation des Figures 5 à 8, 2 3 l'unité réfractaire a une surface spécifique de 27,0 m2/m3. (8 x 0,15 x 0,14 x 1,12) / (0,23 x 0,23 - 2 x 0,04 x 0,04) x 0,14 = 27,0 Une unité réfractaire du type à paroi plane classique, d'un dimensionnement correspondant à cette réa- 2 3 lisation, a une surface spécifique de 11,3 m2/m3. En conséquence, conformément à cette invention, la surface spécifique est augmentée de 12%. Dans les trois réalisations de l'invention décrites ci-dessus, il est possible de fabriquer une unité réfractaire par un procédé de coulée par fusion classique. Par exemple, un noyau est formé à partir de sable réfractaire et d'un adhésif tel qu'une résine phé- nolicue de façon à avoir une surface extérieure corres- pondant en forme à la paroi intérieure d'une unité ré- fractaire en vue de définir un passage d'écoulement 7. Un corps de matrice formé du même matériau est placé de manière à entourer le noyau. Un matériau réfractaire fondu est coulé dans l'intervalle existant entre le corps de matrice et le noyau et il est ensuite graduellement refroidi de manière à se solidifier. Ensuite, le corps de matrice et le noyau sont brisés de façon à pouvoir obtenir l'unité réfractaire correspondante. Dans le cas de l'unité réfractaire repré- sentée sur les Figures 5 et 6, du fait que les bandes prévues dans la paroi intérieure ld sont disposées pa- rallèlement à la ligne centrale du passage d'écoulement 7, l'enlèvement du noyau est facile. Si la paroi inté- rieure est réalisée avec une légère conicité, l'enlè- vement du noyau devient très facile. Conformément à cette invention, une unité réfractaire peut produire des écoulements turbulents à l'intérieur d'un récupérateur de chaleur. En particulier, ces écoulements turbulents peuvent être produits à proxi- 261188C mité d'une surface de paroi d'une unité réfractaire, à une température élevée. En conséquence, l'air chaud qui a échangé de la chaleur sur la surface de paroi de l'unité réfractaire peut être aisément introduit dans une partie centrale d'un passage d'écoulement tandis que l'air froid peut s'écouler effectivement vers la surface de la paroi. Il en résulte que la différence de température entre l'unité réfractaire et l'air voisin est toujours grande. En outre, l'unité réfractaire a une sur- face spécifique accrue. En conséquence, du fait que les effets d'un écoulement turbulent et les effets d'une surface spécifique accrue sont combinés en service, il est pos- sible d'obtenir grâce à cette invention un grand ren- dement de transmission de chaleur. Egalement, lorsque des unités réfractaires sont assemblées en combinaison d'une manière telle qu'une série de bandes concaves et convexes d'unités réfractaires adjacentes entrent en contact les unes avec les autres dans chaque partie de coin des unités, il est alors possible de les main- tenir avec un profil correct même si une force exté- rieure est exercée sur elles. Il est powsible d'obtenir un agencement de grande hauteur. En conséquence, le récupérateur de chaleur correspondant peut avoir une capacité et une sécurité accrues. 261188C REVENDICATIONS 1. Unité réfractaire pour un récupérateur de cha- leur, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps com- portant une première surface extrême (la), une seconde surface extrême (lb), une paroi extérieure (lc), une pa- roi intérieure (Rd) et un passage d'écoulement (7) formé par la paroi intérieure (ld) et s'étendant entre la pre- mière et la seconde surface extrême (la, lb), le passage d'écoulement (7) comportant une ligne centrale, la paroi extérieure (lc) comportant une série de bandes concaves et convexes (4), la paroi intérieure (ld) comportant une série de bandes concaves et convexes (5). 2. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes concaves et convexes (4) de la paroi extérieure (lc) s'étendent parallèlement à à une direction perpendiculaire à la ligne centrale du passage d'écoulement (7). 3. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes concaves et convexes (5) de la paroi intérieure (ld) s'étendent parallèlement à une direction perpendiculaire à la ligne centrale du passage d'écoulement (7). 4. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes concaves et convexes (5) de la paroi intérieure (Id) s'étendent parallèlement à la ligne centrale du passage d'écoulement (7). 5. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes convexes et concaves de la paroi extérieure (lc) et de la paroi intérieure (ld) comprennent une série de crêtes et de racines qui sont disposées successivement. 6. Unité réfractaire selon la revendication 5, caractérisée en ce que les crêtes et les racines sont pro- filées en forme de soufflets. 261188C 7. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend quatre coins (8) qui sont adaptés pour entrer en contact avec des coins correspondants (8) d'autres unités réfractaires adja- centes lorsqu'elles sont assemblées, en formant ainsi un autre passage d'écoulement défini par les parois extérieures (lc) des unités réfractaires, chacun des coins comportant une série de bandes concaves et con- vexes (6). 8. Unité réfractaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que toutes les unités réfractaires ont sensiblement la même forme et elles sont conçues pour entrer en contact l'une avec l'autre dans une con- dition d'embo.tement par retournement alterné des unités - réfractaires. 9. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une surface spécifique qui est augmentée de 40 % ou plus par comparaison à une unité réfractaire classique comportant seulement une paroi plane pour définir un passage d'écoulement. 10. Unité réfractaire selon la revendication 9, caractérisée en ce que les bandes convexes et concaves (4, 5) des parois extérieure et intérieure (lc, ld) com- prennent une série de crêtes et de racines qui sont pro- filées en forme de soufflets et chaque ligne supérieure de crêtes est parallèle auxdites première et seconde surfaces extrêmes (la, lb). 11. Unité réfractaire selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie de coin pourvue d'une série de bandes concaves et convexes qui sont adaptées pour entrer en contact avec des bandes convexes et concaves correspondantes d'une unité ré- fractaire adjacente. 261 188C -15 12. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a un contour octogonal en section droite de façon à former quatre parties de coin (8), en ce que les bandes concaves et convexes (4) de la paroi extérieure (lc) s'étendant parallèlement à une direction perpendiculaire à la ligne centrale du passage d'écoulement (7), et en ce que les bandes concaves et convexes (5) de la paroi intérieure (lb) sont orientées parallèlement à la ligne centrale du passage d'écoulement (7). 13. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un rapport (H/L) entre la hauteur (E) des bandes (4, 5) et la largeur (L) des bandes (4, 5) est compris entre 1/8 et 1/2. 14. Unité réfractaire selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une partie de coin pourvue d'une série de bandes concaves et convexes qui sont adaptées pour entrer en contact avec des bandes convexes et concaves correspondantes d'une unité réfrac- taire adjacente. 15. Unité réfractaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes de la paroi intérieure différent des bandes de la paroi extérieure.