Brevet FR2718828A1 — publié le 19951020

Un bru leur radiant poreux est formé d'une briquette réfractaire poreuse 1 scellée au moyen d'un mortier réfractaire 2 à l'intérieur d'une boîte parallélépipédique 3, sans couvercle, à une faible distance du fond. Un orifice 4 ménagé dans le fond de la boîte permet d'introduire un mélange de gaz et d'air qui traverse l'élément poreux et que l'on enflamme à la sortie 5. Au départ la proportion d'air est inférieure à la proportion qui assurerait, en l'absence d'air secondaire la combustion complète du gaz. De courtes flammes apparaissent et provoquent l'échauffement de la zone superficielle de l'élément poreux. Au bout de quelques minutes on augmente la proportion d'air, la hauteur des flammes diminue, la surface rougit tandis qu'un léger ronflement caractéristique s'établiL Dans le brevet nO 8803256 consacré à la combustion dans les réfractaires poreux nous avons indiqué les conditions d'un bon rayonnement. Depuis, il est apparu qu'en recherchant un niveau de sécurité élevé on pouvait étendre Futilisation de ce type d'appareils à des applications nouvelles. Il arrive en effet qu'après un fonctionnement satisfaisant d'une heure et plus la zone de combustion que l'on croyait stabilisée près de la surface traverse l'élément poreux et que le gaz combustible s'enflamme en amont La cause de cet incident d'autant plus fréquent que la température visée est plus élevée est un chauffement excessif de la masse du réfractaire. L'élément poreux d'un brûleur radiant de sécurité devra donc être maintenu à faible température pendant toute la durée de son fonctionnement dans la quasi totalité de sa masse par le passage du mélange gazeux qui le traverse et qui ne doit entrer en combustion qu'à proximité de la face de sortie, cette combustion ne devant elle-meme échauffer, comptée à partir de la face de sortie qu'une épaisseur infime du réfractaire. On doit donc avoir dans l'élément poreux deux zones qui correspondent à des phénomènes thermiques opposés. Dans la première zone qui part de la face d'entrée et qui se termine à quelques millimètres seulement de la face de sortie, le gaz combustible qui ne brûle pas encore et l'air refroidissent le réfractaire. Dans la deuxième zone dont l'épaisseur n'atteint pas 3 mm, le gaz et l'air se réchauffent rapidement, le gaz brûle en cédant à la face de sortie une grande partie de la chaleur dégagée. Tout le problème consiste à obtenir une température élevée à l'extrémité de cette deuxième zone tout en empêchant un échauffement excessif de la première zone. Le nombre de calories qui remontent par conductibilité dans le réfractaire de la face de sortie incandescent.e vers la face d'entrée est d'autant plus grand que le coefficient de conductibilité thermique du réfractaire est plus élevé. Si l'on veut que la masse de l'élément poreux reste à une température modérée, le refroidissement dû au passage des gaz étant quoique on fasse limité, il faudra minimiser ce tlux de chaleur en utilisant un matériau réfractaire ayant un faible coefficient de conductihilité thermique (silico-alumineux, siliceux ou alumineux à moins de 75 % d'Alumine par exemple). Cette condition remplie il n'en sera pas moins nécessaire de rechercher, dans la première zone, le prélèvement maximal de colories par les gaz combustible et comburant avant qu'ils n'entrent en combustion. Afin d'être certain d'y parvenir. nous avons adopté pour la fabrication de l'élément poreux, la technique particulière qui consiste à agglomérer avec le minimum de liant des grains réfractaires pratiquement identiques. Il suffira alors de choisir une grosseur de grains suffisamment faible pour obtenir comme conséquence de l'importante surface de contact entre gaz et réfractaire qui en résulte un refroidissement énergique de l'élément poreux écartant tout risque d'entrée de flamme. Toutefois, ainsi que nous l'enseigne le brevet cité, il ne faudra pas diminuer exagérément la dimension des grains, des grains trop petits conduisant à des pores trop petits ne permettant pas d'obtenir.un bon rayonnement. Finalement. bien que le fait d'utiliser des grains tous pareils, en réalisant une répartition parfaite des pores dans le réfractaire, améliore sensiblement la transmission de la chaleur des flammes à la zone superficielle de l'élément poreux, il sera souvent avantageux de choisir des grains assez gros. Mais en aucun cas la grosseur des grains ne devra dépasser une limite de sécurité déterminée à la suite d'une série d'essais chacun d'une durée suffisante pour que soit atteinte la température d'équilibre de l'élément poreux. Gaz et matériaux choisis il y a autant de limites de sécurité qu'il y a de conditions de fonctionnement Mais deux valeurs sont remarquables: La première donne la dimension des grains les plus gros que l'on peut envisager d'utiliser. Elle correspond au brûleur dont les conditions de fonctionnement permettent la dispersion par rayonnement de toute l'énergie disponible sans qu'aucune part de cette énergie ne lui soit retournée par réflexion ou autrement. Elle est pour le méthane, le propane et pour beaucoup de mélanges de gaz employés dans l'industrie égale à 1,25 mm si l'on a choisi des grains silico-alumineux ou alumineux à moins de 75 % d'Alumine. La deuxième limite est au contraire relative au cas où il y a le maximum d'échanges thermiques réciproques entre la surface du brûleur et le milieu récepteur. Il en sera ainsi lors du chauffage d'un four dont la température tend à rejoindre celle du brûleur. Cette deuxième limite impose avec le méthane ou le propane comme combustible, des grains silico-alumineux (ou alumineux à moins de 75 5; d'Alumine) ne dépassant pas 0,8 mm. Entre ces deux valeurs extrêmes les cas intermédiaires pour lesquels une partie variable de l'énergie émise sera retournée au brûleur conduira bien évidemment à adopter des limites de sécurité comprises entre 0,8 mm et 1,25 mm. Par contre, l'emploi de l'air enrichi en oxygène ou même de l'oxygène pur comme comburant. intéressant en particulier avec des gaz combustibles à faible pouvoir calorifique exigerait des limites de sécurité inférieures à 0,5 mm. La réalisation d'un brûleur radiant de sécurité ne présente pas de difficultés. Pour fabriquer l'élément poreux on utilise le plus souvent des grains réfractaires silicoalumineux qui outre leur coût modéré ont l'avantage d'avoir une conductibilité thermique faible et d'être peu sensibles aux chocs thermiques. En pratique, les grains utilisés ne peuvent pas être rigoureusement identiques. Mais en choisissant les grains au moyen de deux tamis (les grains traversant le premier mais pas le second) dont les écarts entre fils sont dans un rapport intérieur à 1,3 les résultats seront satisfaisants. Les grains réfractaires seront agglomérés sans liant c'est-à-dire par frittage à haute température ou avec aussi peu de liant que passible. Ce liant ne doit pas contenir de particules solides susceptibles d'obstruer les interstices entre grains. Et parce qu'une proportion de liant faible a pour avantage de diminuer la conductibilité thermique de l'élément poreux et d'augmenter la surface de contact entre gaz et réfractaire on devra s'efforcer d'utiliser un volume de liant représentant moins de 10 iO du volume apparent de l'élément poreux. Applications: On peut distinguer trois catégories d'utilisations conduisant à des brûleurs qui ne se distinguent les uns des autres que par des grosseurs de grains différentes. 1) Brûleur dissipant librement son énergie par rayonnement. Il s'agit d'un appareil rustique, peu coûteux mais qui pour atteindre une bonne température de fonctionnement devra utiliser des gaz à fort pouvoir calorifiques (exemple propane). Grosseur des grains 1 mm environ. 2) Brûleur utilisé au chauffage d'un four quel que soit le type de four. Son fonctionnement est excellent. Grain 0,5 mm. 3) Brûleur dissipant librement son énergie mais muni selon une technique connue d'une grille métallique disposée parallèlement à la face de sortie à une coune distance de celle-ci. On obtiendra ainsi les températures de radiation les plus élevées. Grosseur des grains intermédiaire entre les deux précédents Dans tous les cas, la sécurité de ces appareils est totale. Aucune fausse manoeuvre ne peut provoquer d'entrée de flamme : une épaisseur de réfractaire poreux de 2 cm maintenue froide constituant un barrage infranchissahle à toute flamme. Notons enfin que les brûleurs poreux de sécurité sont peu encombrant: épaisseur totale 4 cm grille comprise. REVENDICATIONS 1) Brûleur radiant poreux exempt de tout risque d'entre de flammes caractérisé en ce qu'il est formé de grains réfractaires agglomérés pratiquement identiques ayant une conductibilité thermique faible et en ce que la grosseur de ces grains est intérieure à une limite de sécurité dépendant du réfractaire utilisé et des conditions de tonctionnement. 2) Brûleur selon revendication t caractérisé en ce que l'on utilise pour la fabrication de l'élément poreux un matériau réfractaire silico-alumineux ou alumineux à moins de 75 % d'Alumine. 3) Brûleur selon revendications l et 2 destiné à des conditions de fonctionnement où aucune fraction de l'énergie rayonnée ne lui est renvoyé par réflexion ou autrement caractérisé en ce que la grosseur des grains est inférieure à une limite de sécurité égale à 1,25 mm lorsque l'on utilise notamment le méthane et le propane comme combustible. 4) Brûleur selon revendications 1 et 2 destiné à des conditions de fonctionnement où il y a le maximum d'échanges thermiques réciproques entre le brûleur et le milieu récepteur dont la température tend à rejoindre celle du brûleur caractérisé en ce que la grosseur des grains est inférieure à une limite de sécurité égale à 0.8 mm lorsque l'on utilise notamment le méthane et le propane comme combustible. 5) Brûleur selon revendications 1 et 2 destiné à des conditions de fonctionnement ou une partie de l'énergie rayonnée lui est renvoyée par réflexion ou autrement caractérisé en ce que la grosseur des grains est inférieure à une limite de sécurité choisie après essais entre 0,8 mm et 1,25 mm lorsque l'on utilise notamment le méthane et le propane comme combustible. 6) Brûleur selon revendication 1 caractérisé en ce que les grains utilisés sont sélectionnés au moyen de deux tamis dont les écarts entre fils sont dans un rapport inférieur à 1,3. 7) Brûleur selon revendication I formé de grains réfractaires agglomérés avec aussi peu de liant que possible caractérisé en ce que le volume de ce liant représente moins de 10 % du volume apparent de l'élément poreux lui-même.