Brevet FR2631104A1 — publié le 19891110

BRULEUR/REGENERATEUR A CORPS POREUX L'invention se rapporte à des systèmes de combustion et en particulier à des améliorations dans les systèmes à brûleur radiant brûlant un combustible sous forme gaz ou vapeur. Dans des applications industrielles, telles que dans le domaine de l'équipement de fusion de vitres de grande dimension, il est connu de disposer d'un chauffage régénérateur comportant une paire de brûleurs et des lits régénérateurs de chaleur associés. Le rendement de ces systèmes est généra- lement amélioré par rapport à celui des systèmes plus simples sans action de chauffage régénérateur. Il est également connu, par exemple à partir des brevets U.S. 3 751 213 attribué à Sowards et 3 810 732 attribué à Koch, que des brûleurs radiants à haute intensité, du genre plaque poreuse, peuvent fonctionner avec des combustibles sous forme de gaz ou de vapeur. L'invention propose un système de brûleur radiant caractérisé à la fois par un fonctionnement à haute température et à haut rendement. Le système comporte des sections appariées ou couplées, chaque section présentant des zones de combustion et des zones de régénération dans lesquelles le flux passe en série. Conformément à l'invention, des conduites et des appareils de commande associés dirigent cycliquement le gaz combustible vers une section de combustion/ régénération tout en évacuant les produits de combustion de la section associée ou appariée de combustion/régénération. Les appareils de commande et les conduites inversent les rôles des sections de combustion/régération selon des cycles alternés. De préférence, les zones de combustion et régénération 2 2 63 1 1 0 de chaque section sont empilées, mises en couches ou disposées autrement à la façon de plaques, les unes à côté des autres. Cette disposition géométrique à la façon de plaques, ou en couches, des zones de combustion et de régération permet une construction compacte, efficace au point de vue énergétique. Le flux de gaz entre une zone de combustion en fonctionnement et une zone de régénération qui récupère la chaleur passe à travers l'espace de travail en cours de chauffage de façon qu'il puisse y avoir une contribution efficace au transfert de chaleur à la pièce à chauffer par chauffage par convection. Les avantages pour. des systèmes de brûleur industriel employant des brûleurs à corps poreux couplés au point de vue régénération et construits selon la présente invention comportent: 1) émission de NOx relativement faible puisque les limites de température habituelles des matériaux en corps poreux à utiliser sont situées sur la plage des températures de la flamme en dessous desquelles la production de NOx est très faible; 2) taux très élevés de transfert thermique par radiation vers des corps dont les températures de pointe sont de plusieurs centaines de degrés infé- rieures à la température de surface du corps poreux; 3) températures suffisamment élevées pour servir d'admission de chaleur radiante pour des procédés tels que la fusion et la surchauffe du fer et de l'acier; 4) flux des produits de réaction suffisamment calme, avec une conception correcte, pour permettre une stratification des flux entre le brûleur et la pièce à chauffer, offrant ainsi la possibilité de contrôler l'atmosphère qui entoure la pièce ou la charge en utilisant un gaz injecté sur la pièce (en supprimant de ce fait le besoin de tubes radiants ou de parois radiantes séparant physiquement la flamme d'avec la pièce). La figure 1 est une vue perspective d'une paire de brûleurs à corps poreux, couplés au point de vue régénération et construits conformément à l'invention; la figure 2 est une vue perspective d'un distri- buteur typique de carburant employé dans le système de combustion de la figure 1; la figure 3 est une vue perspective schématique de la face chaude d'un système de brûleurs à groupes multiples construit conformément à la présente invention; la figure 4 est une vue perspective schématique de la face froide du système de la figure 3, illustrant un circuit de flux de gaz associés; la figure 5 est une vue perspective d'un système d'ensembles de brûleurs, couplés au point de vue régération, semblables à ceux de la figure 1 et d'un capot associé, formant un bûleur à surface radiante conforme à une seconde réalisation de l'invention; et la figure 6 est une vue partielle de la zone du joint de la paroi latérale du capot et d'un ensemble brûleur/régénérateur. En se reportant maintenant aux dessins, la figure 1 représente un système simplifié 10 de brûleurs à corps poreux, couplés au point de vue régénération. Le système 10 comporte une paire de sections 11 qui sont essentiellement identiques. Dans le cas illustré, chaque ensemble brûleur/régéra- teur 11 a la forme d'une plaque présentant la configuration d'un parallélépipède rectangle et constitué d'une série de zones poreuses empilées ou mises en couche et comportant une zone brûleur 16 et une zone régénérateur 17. Tel qu'utilisé ici, le terme "poreux" décrit un corps ou un matériau qui permet le passage de l'air, du gaz naturel ou d'autres combustibles sous forme de gaz ou de vapeur, ainsi que les produits de leur réaction ou de leur combustion, à une vitesse d'écoulement suffisamment élevée pour maintenir une puissance thermique désirée. Dans cet emploi, le terme "poreux" décrit un corps solide ou des corps solides, rigides ou non, présentant suffisamment de vides distribués pour permettre le passage correct des gaz à travers eux. Le matériau poreux peut se présenter sous forme fixe auto-portante, par exemple sous forme d'une toile métallique, d'un tissu, d'un tapis tissé et non tissé, d'une plaque perforée, de particules réunies ou d'une substance réticulée et sous une forme non fixe par exemple sous forme de particules maintenues de façon lâche. La zone brûleur représentée 16 comporte une couche de particules résistant à une température élevée, ou frittes 20, telles que de l'alumine, et un écran ou plaque perforée 21 de retenue, résistant à une température élevée. Les frittes 20 de la zone brûleur poreuse 16 peuvent avoir une dimension granulométrique allant par exemple de 3,17mm à 6,35mm et l'ouverture de maille de l'écran 21 est légèrement inférieure à la dimension granulométrique choisie. L'écran 21 peut être formé, par exemple, par les techniques connues de dépôt chimique en phase vapeur et peut être fabriqué sous forme d'un complexe d'alumine avec des fibres d'alumine. La zone régénérateur poreuse 17 jouxte la zone brûleur 16 et a la même extension. La zone brûleur 17 peut, par exemple, comprendre une couche de frittes. en carbure de silicium 23 en contact direct avec la zone brûleur poreuse 16. La zone régénérateur 17 comporte également un écran métallique 22 pour supporter les frittes ou particules 23. Comme on le voit à partir de la discussion qui suit, l'écran 22 n'est exposé qu'à des températures modérées et par conséquent, il peut être formé d'un matériau relativement commun tel que de l'acier inoxydable résistant à la température. L'ouverture de maille de l'écran de retenue 22 est suffisamment petite pour empêcher que les particules 23 de la zone ou de la couche régénérateur 17 s'échappent. Le combustible gazeux, tel que du gaz naturel, est introduit dans la zone brûleur 16 par un distri- buteur 26 représenté, à titre d'exemple par la structure illustrée sur la figure 2. Le distributeur 26 est construit en matériau convenable, de préférence résistant à des températures relativement élevées, tel qu'un complexe de céramique ou d'alumine. Dans le cas illustré, le distributeur 26 présente des trous 27, percés ou formés autrement, d'un côté pour laisser dégager le combustible gazeux dans la zone brûleur poreuse 16. Les trous 27 sont suffisamment petits pour empêcher l'entrée des frittes ou particules constituant la zone brûleur poreuse 16. D'autres constructions du distributeur de combustible 26 sont prises en compte, par exemple le remplacement des trous 27 par une paroi poreuse. Le distributeur de combustible 26 est disposé avec ses trous, ou moyens de sortie, 27 dans la zone brûleur 16, espacés de la surface extérieure ou surface chaude 31 de la zone brûleur 16. Il faut noter que cette surface extérieure chaude 31 est constituée en partie par l'écran 21 et en partie par les particules sous-jacen- tes 20 de la zone brûleur vues à travers les ouvertures de l'écran 21. Le nombre et le mode de distribution des trous de sortie 27 du distributeur 26 suffisent 2631104- pour assurer que le combustible gazeux correct est admis uniformément dans toute la zone brûleur 16 et pour assurer que l'on obtient un mélange correct avec l'air, lui-même admis de la façon décrite ci-dessous. Le combustible gazeux est envoyé sous une pression convenable dans le distributeur 26 par une conduite 32 sous la commande automatique d'une vanne 33, en provenance d'une conduite d'alimentation 34. L'air, pour sa teneur en oxygène, est envoyé dans la zone brûleur 16 par une conduite ou collecteur 36 venant d'une vanne de commande 37 à deux positions. La section droite de la conduite 36 a sensiblement la même extension que la face froide, désignée par le repère 38, de la section brûleur/régénérateur représentée par la plaque poreuse ou l'écran support 22. La vanne 37 envoie dans la conduite 36 de l'air frais provenant d'un ventilateur d'admission 39 qui maintient la pression d'air dans la conduite 36 au-dessus de la pression atmosphérique. De même, la vanne 37 évacue les gaz provenant de l'autre section brûleur/régénérateur (à droite, dans la position représentée en traits pleins de la vanne 37 sur la figure 1) en reliant cette section à l'entrée d'un ventilateur 41 d'évacuation du gaz, par l'intermédiaire de la conduite respective 36. Le ventilateur d'évacuation 41 maintient à une pression inférieure à la pression atmosphérique la pression de la conduite 36 à laquelle il est relié. La vanne représentée 33, qui commande le flux du combustible gazeux ou en phase vapeur, est du type à manoeuvre par pilote, étant sensible à la pression régnant dans la conduite associée 36. Une ligne pilote 46 transmet la pression régnant dans la conduite 36, sous forme d'un signal envoyé à la vanne 33 amenant cette dernière à s'ouvrir pour admettre le combustible gazeux lorsque dans la conduite associée 36 existe une condition correspondant à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Inversement, lorsque la pression régnant dans la conduite associée 36 est inférieure à la pression atmosphérique, la vanne 33 se ferme pour arrêter l'admission du combustible gazeux dans la section br leur/régénérateur respective 11. La figure 1 représente schématiquement la pièce ou charge 51 à chauffer par le système de brûleur 10. La surface chaude 31 de chaque ensemble brûleur 11, formée par les écrans respectifs 21 et le matériau poreux sous-jacent 20 vu par les trous de cet écran, fait face à la pièce 51, de préférence de façon que les rayons normaux à ces surfaces chaudes soient dirigés, dans la mesure du possible, vers cette pièce. Dans le cas représenté, les surfaces chaudes 31 sont sensiblement plates. Le fonctionnement du système brûleur/régénérateur commence par l'allumage d'un mélange combustible d'air(oud'oxygène) et de combustible gazeux tel que du gaz naturel dans l'un des ensembles brûleur/régé- rateur 11 au moyen d'un allumeur conventionnel.(non représenté) situé près de la surface associée, éventuellement chaude.- A partir de ce qui précède, on voit que l'air est envoyé à travers la face froide 38 de la zone brûleur et à travers la zone régé- nérateur poreuse 17 par le ventilateur d'admission 39, en passant par la vanne 37. Le combustible gaFeux est fourni par la vanne associée 33 en réponse à la pression régnant dans la conduite respective 36. La combustion se produit dans la zone brûleur poreuse 16 dont la température monte jusqu'aux niveaux de fonctionnement. La combustion se poursuit à la section brûleur/ régénérateur allumée 11 et les produits de combus- tion sont évacués à travers l'autre section brûleur/ régénérateur 11 en passant d'abord à travers la zone brûleur inactive 16 puis à travers la zone régénérateur 17. Une portion importante de la chaleur latente des produits de combustion est absorbée dans la zone régénérateur 17 de cette autre section brûleur/ régénérateur 11. Lorsque l'on approche de la capacité de stockage de chaleur de la zone régénérateur 17 qui reçoit la chaleur, les r8les des sections brûleur/ régénérateur 11 sont inverses. Ceci se fait par changement de la position de la vanne d'air 37 sous une commande automatique convenable, pour passer de la position représentée en traits pleins à la position représentée en tireté sur la figure 1. De même, les vannes 33 d'alimentation en combustible changent leur état en réponse aux changements de pression dans leurs conduites respectives 36, l'une arrêtant l'alimentation en combustible et l'autre commençant l'alimentation en combustible. Dans la section brûleur/régénérateur 11 qui vient d'être activée, le mélange gazeux combustible est allumé du fait de la température élevée de la zone brûleur poreuse 16 existant par suite du chauffage qui s'est produit dans cette zone sous l'action du flux, que l'on vient d'arrêter, de produits de combustion qui ont traversé cette zone. Des courants de convection forcée des produits de la combustion ou de la réaction existent dans l'espace immédiatement voisin des faces chaudes 31 des sections brûleur/régénérateur 11 du fait que- ces gaz parcourent des chemins allant d'une face 31 à l'autre. Ces courants contribuent avantageusement à l'effet de chauffage exercé sur la pièce ou la charge 51. Les sections brûleur/régénérateur il fonctionnent de façon à maintenir leurs faces 31 dans un domaine de température élevée. Ceci s'obtient en admettant l'air et le combustible gazeux à des débits suffisants pour compenser la chaleur perdue par radiation à la température de fonction- nement désirée. La limite supérieure de la plage de température de fonctionnement de ces surfaces chaudes 31 est limitée par la durée de vie du matériau formant ces surfaces. Avec les matériaux couramment utilisés, on peut obtenir des températures moyennes d'environ 1370 C (25000 F). On peut obtenir des températures relativement plus élevées si l'écran 21 est fabriqué sous forme d'un complexe d'alumine et de fibres d'alumine fabriqué par les techniques de dépôt chimique en phase vapeur. Les zones régéné- rateur 17 sont capables d'absorber jusqu'à 85% de la chaleur latente transportée dans les produits de la combustion de sorte que le système de brûleur décrit 10 montre un rendement thermique relativement élevé. Le système brûleur décrit assure donc un rendement thermique élevé et une puissance thermique radiante élevée. Si la surface chaude 31 de la zone brûleur 16 est horizontale ou presque horizontale, on peut se passer de l'écran 21 si les débits des gaz sont maintenus à un niveau suffisamment bas pour éviter de fluidiser le matériau particulaire 20. Si les débits des produits de la combustion ou de la réaction sont relativement bas, il existe un état calme dans l'espace situé entré la pièce 51 et les sections brûleur/régénérateur 11. Dans de telles circonstances, on peut, si nécessaire, contrôler l'atmosphère qui entoure la pièce 51 en utilisant un gaz injecté sur la pièce de façon à pouvoir se passer du besoin des tubes radiants ou des parois 263 110 radiantes pour séparer physiquement les flammes d'avec la pièce. Les figures 3 et 4 représentent schématiquement un système brûleur/régénérateur 60 qui emploie de multiples groupes de brûleurs à corps poreux couplés au point de vue régénération. La figure 4 représente la face opposée, ou face froide, du système à brûleurs multiples 60, o une sur deux des rangées de sections brûleur /régénérateur 61 sont reliées à un ensemble de conduite ou un distributeur/collecteur 62 et o les rangées interposées des sections brûleur/générateur 61 sont reliées à un autre ensemble de conduite ou distributeur/collecteur -63. Une vanne à deux positions 64 fonctionne comme la vanne 37 de la figure 1 pour envoyer de l'air frais dans l'un des distri- buteurs/collecteurs 62 et pour évacuer les produits de la combustion hors de l'autre distributeur/collec- teur 63. La vanne 64 prend une position qui répète et alterne le fonctionnement des sections brûleur/ régénérateur 11 entre la combustion active dans l'un des modes et la régénération dans l'autre. Des venti- lateurs d'admission et d'évacuation 66, 67 sont sélectivement couplés aux distributeurs/collecteurs 62, 63 par l'intermédiaire de la vanne 64. Le com- bustiblé gazeux est envoyé dans les différentes sections brûleur/régénérateur. 61 sensiblement de la même manière que ce qui vient d'être décrit en liaison avec les figures 1 et 2. Les différentes sections brûleur/régénérateur 61 peuvent être construites sensiblement de la même manière que ce que l'on vient de décrire en liaison avec la figure 1. Les produits de combustion qui quittent les surfaces chaudes désignées par le repère 71, des sections brûleur/régénérateur qui supportent acti- vement la combustion peuvent s'écouler en direction 263110 4. de chacune des surfaces chaudes voisines des sections brûleur/régénérateur qui fonctionnent en mode régéné- rateur. La figure 5 représente une réalisation de l'invention formant un brûleur 80 à surface radiante utile dans les applications o l'on 'désire isoler les gaz de combustion d'avec la pièce en cours de chauffage ou d'avec l'atmosphère entourant la pièce. Les ensembles brûleur/régénérateur 11 du brûleur 80 sont constitués d'éléments identiques à ceux du système 10 représenté sur la figure 1 et les éléments identiques ont été désignés par les mêmes repères. Un capot imperméable du type caisson 81 enveloppe l'espace désigné par 82, capot à travers lequel les produits de la combustion s'écoulent pour passer d'un ensemble 11 à l'autre. Dans la réalisation représentée, le capot 81 a une paroi principale 83 qui se superpose, parallèlement à deux des surfaces extérieures chaudes 31 des zones poreuses 16 des ensembles voisins appariés 11, et qui a la même extension que ces surfaces. Le capot 81 a quatre parois latérales 84 (dont seulement deux sont vues sur la figure 5) formées d'une pièce l'une avec l'autre et avec la paroi principale 83. Comme repré- senté sur la figure 6, les parois latérales 84 sont réunies aux bords rainurés voisins 86 des ensembles 11 par un embouti 87 verrouillé ou piégé par une colle convenable 88. Le capot 81 peut être formé d'un matériau tel qu'une céramique convenant pour servir aux températures auxquelles il va fonctionner. Au cours du fonctionnement des ensembles 11, le flux du gaz est identique à celui expliqué en liaison avec la figure 1. Toutefois, les produits de combustion qui quittent les ensembles alternés 11 sont contenus par le capot 81 et isolés d'avec 263110 4 l'espace entourant la pièce ou la charge 91. Le capot 81 est chauffé par radiation à partir des faces chaudes 31 et par convection des produits de combus- tion. Le capot 81 atteint une température élevée et rayonne la chaleur, reçue par lui, à partir de sa surface extérieure 89, en direction de la pièce 91. Tandis que l'invention a été représentée et décrite en fonction de certaines de ses réalisations particulières, ceci est dans un but d'illustration plutôt que de limitation, et d'autres variantes et modifications des réalisations spécifiques repré- sentées et décrites ici apparaîtront à l'homme de l'art, le tout étant dans l'esprit et l'objet visés de l'invention. Par conséquent, le brevet n'est limité, ni dans son objet, ni dans son effet, aux réalisations spécifiques représentées et décrites ici, ni d'aucune autre manière incompatibles avec l'étendue dans laquelle l'invention a fait progresser l'art. 2631104. REVENDICATIONS 1. Système pour produire un haut niveau de chauffage par radiation, caractérisé en ce qu'il comporte une paire de sections voisines brûLeur/régé- nérateur (11), chaque section présentant une zone de surface de brûleur (16) qui fait face à une station contenant une pièce, un régénérateur (17) , à corps poreux, associé à chaque surface de brûleur, des moyens formant conduites (36) pour amener des gaz combustibles à chaque section Drûleur/régénérateur (11) et, alterna- tivement, pour évacuer les produits de combustion hors de chaque section brûleur/régénérateur (11), des moyens (37, 39, 41) pour commander cycliquement le flux des gaz combustibles en direction d'une première section brûLeur/régénérateur (11) et le flux des produits de combustion en provenance de l'autre section brûleur/ré- générateur (11), et alternativement, le flux des gaz combustibles en direction de l'autre section (11) et le flux des produits de combustion en provenance de la première section (11), chaque section ayant sa zone de surface de brûLeur (16) suffisamment ouverte pour permettre te passage des produits de combustion à travers elle et à travers le régénérateur à corps poreux associé (17), le régénérateur à corps poreux (17) de chaque section étant disposé pour permettre Le passage du gaz d'au moins un premier des gaz combusti- bles à travers lui et, alternativement, le passage des produits de combustion à travers lui, les régénéra- teurs à corps poreux présentant.une construction capable d'absorber cycliquement une partie majeure de La chaleur transportée dans les produits de combustion pour transfert ultérieur au premier gaz combustible, les sections étant disposées de façon telle que les produits de combustion provenant de l'une ou L'autre section (11) soient reçus dans l'autre section (11), la surface 263110 4 de combustion de chaque section étant disposée pour rayonner une portion majeure de la chaleur générée par la combustion à L'intérieur de sa structure associée. 2. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le régénérateur à corps poreux (17) de chaque section (11) est constitué d'un lit de parti- cules du type frittes en vrac (23). 3. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la surface du brûleur est au moins partiellement constituée de particules du type frittes (20). 4. Système selon la revendication 3, caracté- risé en ce que lesdites particules sont retenues par un écran rigide (21) sur une face chaude du brûleur. 5. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chaque section (11) comporte une zone brûleur (16) formée d'un corps poreux, ainsi que des moyens (33,26, 27) pour injecter le carburant dans ledit corps poreux, à l'intérieur de sa surface radiante associée. 6. Système selon la revendication 5, caracté- risé en ce que lesdits moyens d'injection comportent un distributeur (62) pour distribuer le carburant à travers la zone brûleur à corps poreux, en une multi- plicité d'endroits. 7. Système selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comporte des moyens (66) pour envoyer un gaz combustible dans celle desdites sections qui est active, à une pression supérieure à la pression atmosphérique. 8. Système selon la revendication 7, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens (67) pour évacuer les produits de combustion en provenance de celle desdites sections qui forme section de régénération, à une pression inférieure à la pression atmosphérique. 263110 - 9. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte un capot (91) enveloppant un espace voisin des surfaces de combustion de chaque section (11), Ledit capot (91) étant disposé pour isoler les produits de combustion d'avec la pièce à chauffer sur une face du capot opposée à celle qui fait face à la surface de combustion de chaque section, ledit capot étant conçu pour rayonner, en direction de ladite pièce, La chaleur reçue en provenance de Ladite section brûleur/régénérateur.