Brevet FR2666870A1 — publié le 19920320

L'invention concerne un segment en brique réf rac- taire destiné à être utilisé dans un régénérateur de cha- leur ou dans un échangeur de chaleur, adapté pour être uti- lisé dans l'industrie de fusion du verre ou dans l'industrie du fer et de l'acier En particulier, l'invention concerne un segment en brique réfractaire pos- sédant une pluralité de rainures et réalisé en un matériau réfractaire électroformé ou électro-fondu. Dans un four classique de fusion du verre, un grand nombre de segments en brique réfractaire sont assem- blés dans un régénérateur de chaleur Les gaz d'échappement chauds sont utilisés pour chauffer les segments en brique réfractaire de manière que l'air de combustion secondaire froid soit réchauffé par les segments en brique chauffés. Par exemple, les gaz d'échappement chauds sortant d'un trou de soufflage d'une chambre de fusion sont habituellement introduits dans une partie d'extrémité supérieure d'un ré- générateur de chaleur, puis sortent à la partie d'extrémité inférieure de ce régénérateur Bien que les gaz d'échappement chauds descendent en traversant les passages définis par les segments en brique, sont chauffés et accu- mulent de la chaleur Par conséquent, les segments en brique ont une température qui augmente graduellement En- suite, l'écoulement des gaz d'échappement s'arrête sous l'effet de la fermeture d'une vanne, puis de l'air secon- daire à la température ambiante est introduit dans une par- tie inférieure du régénérateur de chaleur Bien que l'air secondaire circule selon un mouvement ascendant dans les passages du régénérateur de chaleur, l'air est chauffé par les segments en brique maintenus à une température élevée. Un tel cycle formé de deux écoulements opposés est répété sous l'effet de la commutation d'une vanne de sorte que les gaz d'échappement et l'air traversent alternativement le régénérateur de chaleur. Pour améliorer le rendement de régénération de la chaleur de tels segments en brique, il a été proposé diffé- rentes formes de tels segments de sorte que la vitesse de transmission de chaleur entre le segment en brique réf rac- taire et les gaz d'échappement chauds peut être améliorée. Par exemple, la figure 4, annexée à la présente demande, montre un ensemble classique en brique réfractaire tel que décrit dans le brevet US 4 436 144, qui comprend une pluralité de segments en brique réfractaire 1 formés chacun d'un matériau réfractaire Chaque segment en brique réfractaire 1 possède une épaisseur uniforme sur toute sa longueur Les segments en brique réfractaire sont empilés verticalement de telle sorte qu'une pluralité de passages d'écoulement 2 sont formés de manière à s'étendre dans une direction verticale Quatre coins la de chaque segment en brique réfractaire 1 est découpé de sorte que sa section transversale est octogonale Les coins la de segments en brique réfractaire 1, qui sont adjacents horizontalement, sont en contact réciproque, tandis que les extrémités supé- rieures lb sont en contact avec les extrémités inférieures correspondantes lc. Étant donné que l'épaisseur de chaque segment en brique est mince par rapport au segment en brique du type en forme de poteaux, une surface spécifique ou surface par unité de volume d'un régénérateur est relativement étendue. Par conséquent, les segments en brique minces possèdent une surface étendue d'échange thermique pour les gaz d'échappement chauds et l'air secondaire devant être chauffé, qui circulent le long des parois intérieures et extérieures des segments en briques empilés. La figure 5, annexée à la présente demande, montre un autre ensemble classique de brique réfractaire pour un régénérateur de chaleur tel que décrit dans le bre- vet US N 04 974 666 et dans le brevet US N 04 874 034, dans lesquels chaque segment en brique possède une surface spé- cifique accrue de façon supplémentaire. L'ensemble en brique réfractaire de la figure 5 comprend deux types de segments en brique 5,6 du type de forme tubulaire, comportant chacun une pluralité de bandes convexes et concaves 5 a, 6 a disposées en série et qui s'étendent parallèlement entre elles sur les parois inté- rieures et extérieures de chaque segment en brique Ces bandes convexes et concaves 5 a, 6 a augmentent la surface spécifique des segments en brique et produisent des écoule- ments turbulents, ce qui accroît de façon remarquable le taux de transmission de chaleur ou d'échange thermique. Chaque segment en brique comporte quatre parties d'angle 7, qui s'appliquent chacune contre la partie d'angle correspondante 7 d'un segment adjacent horizontale- ment, de sorte que les bandes convexes sont en contact avec les bandes concaves, ce qui permet d'empiler un grand nombre de segments en brique, dans une condition stable. Pour améliorer la résistance à la corrosion vis- à-vis de la poussière alcaline, il a été proposé d'utiliser des matériaux réfractaires électro-fondus et moulés en tant que matériaux constitutifs des segments en brique réfrac- taire destinés à 'être utilisés dans des régénérateurs de chaleur, à la place de matériaux réfractaires cuits De tels matériaux réfractaires électro-fondus et moulés sont fabriqués par fusion électrique de matériaux de départ dé- sirés, puis moulage de ces matériaux dans des moyens en forme de matrice de manière à avoir une bonne stabilité thermique et une structure dense En particulier, les maté- riaux réfractaires électro-fondus et moulés présentent une excellente résistance à la corrosion, vis-à-vis du verre fondu ou de substances alcalines La conductibilité ther- mique des matériaux réfractaires électro-fondus et moulés est supérieure à celle des matériaux réfractaires cuits. Des exemples de matériaux réfractaires électro-fondus et moulés sont des matériaux réfractaires à base d'alumine- silice-zircone électro-fondus et moulés et des matériaux réfractaires à base de zircone électro-fondus et moulés. On peut aisément donner aux matériaux réfrac- taires électro-fondus et moulés une forme complexe, telle qu'elle est obtenue au moyen d'une coulée dans un moule. Cependant, ces matériaux sont très bon marché par rapport aux matériaux réfractaires cuits. Pour réduire le coût de production, il est effi- cace d'utiliser des matériaux réfractaires cuits classiques dans des parties à basse température et des matériaux ré- fractaires électro-fondus dans des parties à haute tempéra- ture Habituellement, les parties à basse température du régénérateur de chaleur sont disposées en un emplacement plus bas Si on utilise un matériau réfractaire du type en forme de poteau ou de tube possédant une épaisseur de 65 mm ou de 75 mm en un emplacement inférieur poiur cconstituer un segment en brique d'un régénérateur de chaleur, on uti- lise un segment en brique à haute température possédant la même épaisseur que celle d'un segment en brique à basse température, en un emplacement supérieur du régénérateur de manière à définir les passages d'écoulement possédant les mêmes dimensions que celles des passages d'écoulement des segments en brique à basse température Si on utilise un segment en brique réfractaire cuit classique possédant une forme de tube ayant une section transversale rectangulaire d'une épaisseur de 40 mm dans un emplacement basse tempéra- ture, on utilise de préférence un segment en brique réfrac- taire électrofondu possédant la même épaisseur que celui du segment en brique réfractaire cuit, dans un emplacement à haute température. Le but de la présente invention est de fournir un segment en brique réfractaire destiné à être utilisé dans un régénérateur de chaleur, dans lequel les passages d'écoulement définis par de tels segments fournissent un rendement amélioré de transmission thermique entre les écoulements de gaz et les segments en brique réfractaire, moyennant le choix de tailles et de formes sélectionnées des segments en brique destinés à être utilisés dans un ré- générateur de chaleur et dont les parois intérieures et ex- térieures possèdent des surfaces complexes de manière à mettre à profit les propriétés mentionnées précédemment des segments en brique réfractaire électro-fondus. Conformément à la présente invention, il est prévu un segment en brique réfractaire destiné à être uti- lisé dans un régénérateur de chaleur, caractérisé en ce qu'il est formé d'un matériau réfractaire électro-fondu sous la forme d'un tube, comprenant une épaisseur de paroi comprise entre 35 mm et 75 mm, une section transversale sensiblement rectangulaire, une paroi latérale intérieure possédant des parties concaves, une paroi latérale exté- rieure possédant des parties concaves, et une paroi d'angle comportant des parties concaves, le volume total du segment en brique étant compris entre 0,4 fois ou plus et 0,85 fois ou moins le volume d'un segment en brique correspondant ne comportant aucune partie concave, et une surface par unité de volume égale à 1,5 fois ou plus celle d'un segment en brique correspondant ne comprenant aucune partie concave. Dans le segment en brique réfractaire, les par- ties concaves possèdent une section transversale circulaire ou anguleuse Par exemple les parties concaves sont formées au moyen de l'aménagement d'une pluralité de rainures dans chaque surface plane des parois La forme de la section transversale des rainures est trapézoïdale De préférence, les parties concaves sont réalisées sous la forme d'un soufflet. Pour obtenir les meilleurs résultats, une section verticale de la paroi inférieure possède la même forme que celle de la paroi extérieure, et le segment en brique pos- sède essentiellement la même épaisseur. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: la figure 1 représente une vue en coupe verti- cale montrant une partie d'un segment en brique réfractaire destiné à être utilisé dans un régénérateur de chaleur conformément à une forme de réalisation préférée de la pré- sente invention; la figure 2 représente une vue en coupe verti- cale montrant une partie d'un segment en brique destiné à être utilisé dans un régénérateur de chaleur conforme à une autre forme de réalisation de la présente invention; la figure 3 A est une vue en plan montrant un segment en brique conforme à une forme de réalisation de la présente invention; la figure 3 B est une vue en coupe verticale montrant le segment en brique représenté sur la figure 3 A; la figure 4, dont il a déjà été fait mention, représente une vue en perspective montrant un ensemble for- mant segment en brique classique pour un régénérateur de chaleur; et la figure 5, dont il a déjà été fait mention, représente une vue en perspective montrant un autre en- semble formant segment en brique classique pour un régéné- rateur de chaleur. Comme cela est représenté sur les figures 1 et 2, un segment en brique du type en forme de tube rectangulaire destiné à être utilisé dans un régénérateur de chaleur pos- sède une paroi extérieure 10 et une paroi intérieure 11. Une pluralité de rainures 12,13 sont ménagées dans la sur- face de la paroi extérieure 10 et de la paroi intérieure 11 La forme en coupe transversale des rainures 12,13 peut être circulaire ou anguleuse. Les rainures 12,13 constituent des parties concaves dans la surface plane de la paroi extérieure 10 et de la paroi intérieure 11 En d'autres termes, les parties planes restantes de la paroi extérieure 10 et de la paroi intérieure Il constituent des parties convexes. Conformément à la présente invention, la forme de telles parties convexes et concaves est agencée de manière à accroître le rendement d'échange thermique en tenant compte notamment des relations entre l'épaisseur des parois et la taille des rainures Par exemple, le segment en brique possède une section transversale sensiblement rec- tangulaire ou carrée et une pluralité de parties concaves moyennant la formation des rainures 12,13 dans la paroi ex- térieure 10, dans la paroi intérieure 11 et dans les parois d'angle, pour former un segment en brique possédant une forme tubulaire et destiné à être utilisé dans un régénéra- teur de chaleur, qui est formé d'un matériau réfractaire électro-fondu Des recherches, que nous avons effectuées, pour l'obtention des meilleurs résultats du rendement de l'échange thermique, ont révélé qu'il est préférable que l'épaisseur de paroi L soit comprise entre 35 mm ou plus et mm ou moins Il est également préférable que le volume total du segment en brique soit compris entre 0,4 fois ou plus et 0,85 fois ou moins celui du segment en brique n'ayant aucune partie concave 12 Il est en outre préfé- rable que le rapport de la surface au volume du segment en brique possédant des parties concaves 12 soit égal à 1,5 fois ou plus celui du segment en brique n'ayant aucune par- tie concave 12. On va décrire de façon détaillée un exemple pré- férable de la présente invention. La figure 3 A représente une vue en plan montrant un segment en brique formé d'un matériau réfractaire élec- tro-fondu, destiné à être utilisé dans un régénérateur de chaleur conforme à l'exemple de la présente invention La figure 3 B est une vue en coupe verticale montrant le seg- ment en brique représenté sur la figure 3 A. D -désigne une dimension des passages intérieurs d'écoulement L désigne une épaisseur de paroi K désigne une largeur des rainures 12 ménagées dans la paroi exté- rieure 10 J désigne une profondeur des rainures N désigne une largeur des rainures 13 ménagées dans la surface de la paroi intérieure H désigne une profondeur des gorges des rainures 16 Habituellement K et M possèdent la même va- leur J et H possèdent la même valeur N désigne la hauteur du segment en brique. La section transversale des rainures 12 est tra- pézoïdale, la base possédant une longueur K et la branche supérieure possédant une longueur P, tandis que la hauteur est égale à J Le pas des rainures 12 est K+P La forme en coupe transversale des rainures 13 est également trapézoï- dale, la longueur de la base étant M, tandis que la branche supérieure possède une longueur Q et que la hauteur est égale à H Le pas des rainures 13 est égal à M+Q. Un exemple de ces dimensions est le suivant D = 140 mm, K = 45 mm, M = 45 mm, J = 20 mm, H = 20 mm, N = 180 mm, L = 65 mmm, P = 5 mm, Q = 5 mm. Dans ce segment en brique, on augmente la surface en aménageant les rainures 12 dans la paroi extérieure 10 et dans la paroi intérieure 11 Cette surface est accrue de 1,38 fois D'autre part, la formation des rainures 12 réduit le volume du segment en brique à une valeur égale à 0,68 fois celle du segment en brique de départ ne compor- tant aucune rainure 12 Il en résulte que la surface par unité de volume du segment en brique comportant les rai- nures 12 est égale à deux fois celle du segment en brique ne comportant aucune rainure. Dans le cas o les parties concaves sont ménagées dans les parois du segment en brique réfractaire, le rende- ment thermique du régénérateur de chaleur augmente Si le volume restant est inférieur à 0,4 fois celui du segment en brique initial, la capacité thermique de régénération dimi- nue De même, la résistance à la corrosion vis-à-vis des poussières alcalines diminue. Si le volume restant est supérieur à 0,85 fois celui du segment en brique d'origine, le volume total des parties intermédiaires du segment en brique entre les par- ties planes restantes devient trop important Les parties intermédiaires du segment en brique ne contribuent pas ef- ficacement à la régénération de chaleur, au moins par rap- port aux autres parties comportant les parties concaves. C'est pourquoi, si les parties intermédiaires possèdent un volume important, le rendement dde régénération de chaleur n'est pas augmenté. On va expliquer, comme indiqué ci-après, un autre exemple du segment en brique conforme à la présente inven- tion: D= 140 mm, K = 31 mm, M = 31 mm, J = 13 mm, H = 13 mm, N = 239 mm, L 40 mm, P = 5 mm, Q = 5 mm Le segment en brique conforme à cet exemple possède une surface accrue égale à 1,30 fois celle du segment en brique n'ayant aucune rainure, en raison de la formation des rainures 12 dans la paroi intérieure et dans la paroi extérieure Le fait d'aménager la rainure 12 réduit le vo- lume du segment en brique à une valeur égale à 0,68 fois celui du segment en brique n'ayant aucune rainure La sur- face par unité de volume du segment en brique comportant les rainures 12 est égale à 1,9 fois celle du segment en brique comportant les rainures 12. Les formes des parties concaves telles qu'indiquées précédemment ne sont pas limitées aux formes de réalisation représentées, dans lesquelles des bandes convexes et concaves parallèles définissant une forme de soufflet sont ménagées dans les parois verticales Les parties concaves ménagées dans la paroi extérieure peuvent avoir une forme différente de celle des parties concaves ménagées dans la paroi intérieure. Dans le cas o le segment en brique est réalisé sous la forme d'un soufflet de sorte que la section verti- cale de la paroi intérieure possède la même forme que celle de la paroi extérieure et dans le cas o le segment en brique possède sensiblement la même épaisseur sur toute sa longueur, comme représenté sur la figure 2, la résistance aux chocs thermiques est excellente Ceci est particulière- ment important étant donné que le matériau réfractaire électro-fondu possède une résistance aux chocs thermiques relativement faible par rapport au matériau réfractaire cuit, bien que ceci ne soit pas essentiel pour la présente invention. Chaque élément supérieur des parties convexes et chaque élément inférieur des parties concaves peut avoir n'importe quelle forme désirée Par exemple, l'élément su- périeur et l'élément inférieur peuvent avoir une section transversale circulaire ou plane. On peut accroître la surface en ménageant les rainures 12 dans les parois intérieure et extérieure Il en résulte que la surface de transmission de la chaleur pour l'écoulement de gaz augmente En outre, l'écoulement de gaz peut devenir turbulent de sorte qu'on peut accroître le rendement de transmission de chaleur entre les segments en brique les écoulements de gaz. Les segments en brique réfractaire électro-fondus conformes à la présente invention peuvent être utilisés en combinaison avec les segments en brique de l'art antérieur. Par exemple, le régénérateur de chaleur de l'art antérieur comprend une pluralité de segments en brique de section transversale rectangulaire possédant une épaisseur de 65 mm et dont certains sont cassés dans une partie supérieure du régénérateur, seuls les segments en brique cassés situés dans la partie supérieure du régénérateur de chaleur peu- vent être éliminés, puis les nouveaux segments en brique conformes à la présente invention peuvent être utilisés à leur place Dans un tel cas, on peut aisément empiler les il segments en brique conforme à la présente invention sur les segments en brique de l'art antérieur, qui ont été empilés dans le régénérateur de chaleur Les segments en brique conformes à la présente invention peuvent posséder la même épaisseur de paroi et avoir des passages d'écoulement de gaz ayant la même dimension que celle des segments en brique de l'art antérieur. On peut mélanger ou combiner un nombre désiré de segments en brique conformes à la présente invention à des segments en brique de l'art antérieur possédant des formes différentes Par exemple, même si on empile des segments en brique en forme de cheminée ou en forme de croix d'une épaisseur de 40 mm dans le régénérateur de chaleur de l'art antérieur, on peut utiliser les segments en brique conforme à la présente invention, qui possèdent une épaisseur de pa- roi de 40 mm. La différence de température entre les parties supérieure et inférieure d'un régénérateur de chaleur est habituellement très importante C'est pourquoi, il est pré- férable d'utiliser la plupart des matériaux appropriés pour les parties respectives du régénérateur de chaleur pour ob- tenir un fonctionnement économique C'est pourquoi, il est préférable d'utiliser des segments en brique réfractaire puis bon marché dans une partie à basse température d'un régénérateur de chaleur, tout en utilisant des segments en brique réfractaire électro-fondus onéreux dans une partie à haute température. Il est préférable que les segments en brique cuits classiques soient constitués par une brique standard du type en forme de poteau en forme d'hexahèdre, qui pos- sède habituellement une épaisseur de 65 mm Si les segments en brique réfractaire possèdent une forme complexe, leurs coûts de fabrication sont susceptibles d'être élevés C'est pourquoi, dans de tels cas, il faut que les segments en brique standard possèdent une forme simple de manière à être bon marché. Même si on utilise de tels segments en brique standard de l'art antérieur dans la partie inférieure du régénérateur de chaleur, o les températures de fonctionne- ment sont relativement basse, on peut combiner les segments en brique conformes à la présente invention avec de tels segments en brique réfractaire cuits bon marché Dans un tel cas, on peut définir les passages d'écoulement au moyen des segments en brique réfractaire et des segments en brique conformes à la présente invention d'une manière com- binée de manière que les gaz s' écoulent de façon uniforme. Le rendement de transmission thermique est élevé et le ren- dement de régénération peut être remarquablement amélioré étant donné que les segments possèddent une surface spéci- fique étendue. Le mode d'empilage des segments en brique conformes à la présente invention est décrit dans le brevet US N 0356 114 incorporé ici en référence. REVENDICATIONS 1 Segment en brique réfractaire destiné à être utilisé dans un régénérateur de chaleur, caractérisé en ce qu'il est formé d'un matériau réfractaire électro-fondu sous la forme d'un tube, comprenant une épaisseur de paroi comprise entre 35 mm et 75 mm, une section transversale sensiblement rectangulaire, une paroi latérale intérieure ( 11) possédant des parties concaves ( 13), une paroi latérale extérieure ( 10) possédant des parties concaves ( 12), et une paroi d'angle comportant des parties concaves, le volume total du segment en brique étant compris entre 0,4 fois ou plus et 0,85 fois ou moins le volume d'un segment en brique correspondant ne comportant aucune partie concave, et une surface par unité de volume égale à 1,5 fois ou plus celle d'un segment en brique correspondant ne comprenant aucune partie concave. 2 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les parties concaves ( 12, 13) possèdent une section transversale circulaire. 3 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les parties concaves ( 12, 13) possèdent une section transversale anguleuse. 4 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les parties concaves ( 12,13) sont formées au moyen de l'aménagement d'une pluralité de rainures dans chaque surface plane des parois ( 10,11). Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les rainures ( 12,13) possèdent une section transversale trapézoïdale. 6 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il possède la forme d'un soufflet. 7 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que sa section transversale est carrée. 8 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que sa section transversale est carrée.5 9 Segment en brique réfractaire selon la reven- dication 6, caractérisé en ce qu'une partie verticale de la paroi intérieure ( 11) possède la même forme que celle de la paroi extérieure ( 10) et que le segment en brique possède sensiblement la même épaisseur.