Brevet FR2724217A1 — publié le 19960308

L'invention concerne un dispositif d'étalement d'une flamme par effet Coanda. Dans de nombreux domaines, en particulier l'indus- trie, on utilise la chaleur d'une flamme obtenue par le mélange et la combustion d'un gaz combustible et d'un gaz comburant. Afin de répartir la chaleur de la flamme, des dispositifs d'étalement de flamme ont déjà été imaginés. On connaît par exemple des buses de chauffage comportant un tube central qui délivre un gaz combustible et un tube annulaire, entourant le tube central, qui délivre un gaz comburant. Il est connu de placer un obstacle en forme de cône dans l'écoulement du jet de gaz combustible afin de l'élargir. Le jet annulaire de gaz comburant est entraîné par le gaz combustible, ce qui forme une flamme élargie. Il est également connu de placer une pièce métalli- que en forme d'entonnoir renversé à la sortie de la buse du jet de gaz comburant. Ceci oblige la flamme à suivre cette pièce et donc à s'élargir. Toutefois, le transfert de chaleur de la flamme vers la pièce métallique est très important. Cette solution est donc très difficile à mettre en oeuvre. Cependant, l'ensemble des dispositifs d'élargisse- ment de flamme actuellement connus ne permettent pas d'obtenir une flamme plane, c'est-à-dire une flamme très élargie dont la hauteur est très faible. La présente invention a pour objet un dispositif d'étalement de flamme qui permet d'atteindre ce résultat. A cet effet, le dispositif selon l'invention comporte: - au moins une buse principale délivrant un jet de gaz combustible ou de gaz comburant; - au moins une buse secondaire délivrant un jet de gaz comburant ou de gaz combustible qui s'écoule autour du jet principal et qui possède une épaisseur sensible- ment constante; - au moins une surface courbe disposée tangentiel- lement au jet de gaz secondaire- afin de le dévier par effet Coanda, d'aspirer le jet de gaz principal et de mélanger le jet de gaz secondaire et le jet de gaz principal pour former une flamme. Grâce à ce dispositif on obtient un excellent mélange du gaz combustible et du gaz comburant en raison de la différence de vitesse entre les deux jets et de l'écoulement turbulent qui en résulte. Un autre avantage de ce dispositif est qu'il confère une très bonne stabilité à la flamme étalée. De plus, la flamme étalée obtenue suit parfaitement la surface courbe, ce qui permet d'obtenir une flamme très plate et donc une excellente répartition de la chaleur qu'elle produit. La section de la buse principale et la section de la buse secondaire peuvent naturellement prendre des formes très variées. Dans une forme de réalisation courante la buse principale présente une section circulaire, et la buse secondaire, de section annulaire, entoure la buse princi- pale. Selon une autre réalisation courante, la buse principale est de forme rectangulaire, au moins une buse secondaire délivrant un jet secondaire tangentiel à l'un des côtés du rectangle formé par la section de la buse principale. La buse principale peut également avoir d'autres formes très diverses, par exemple carrée, polygonale, polygonale a angles arrondis, ellipsoidale ou ovoïde, etc... Divers gaz combustibles peuvent être utilisés, par exemple le méthane ou le propane ou tout hydrocarbure. - Le gaz comburant est de préférence de l'oxygène, mais ce peut être également de l'air. L'invention concerne également un four comportant des parois délimitant une enceinte et des moyens de chauffage. On connaît déjà des fours comportant une paroi réfractaire chauffée par une flamme. La paroi réfractaire chauffe ensuite l'atmosphère intérieure du four et la charge contenue dans le four. Afin d'assurer une meil- leure répartition possible de la chaleur, on utilise des dispositifs d'élargissement de flamme. Cependant, ces dispositifs ne permettent d'obtenir une flamme parfaitement plane. Ce problème est résolu, selon la présente inven- tion, par le fait que les moyens de chauffage qui équipent le four sont constitués par: - au moins une buse principale délivrant un jet de gaz combustible ou de gaz comburant; - au moins une buse secondaire délivrant un jet de gaz comburant ou gaz combustible qui s'écoule autour du jet principal et qui possède une épaisseur sensiblement constante; - au moins une surface courbe disposée tangentiel- lement au jet de gaz secondaire afin de le dévier par effet Coanda, d'aspirer le jet de gaz principal et de mélanger le jet de gaz secondaire et le jet de gaz principal pour former une flamme. Dans un mode de réalisation du four, le jet principal est sensiblement perpendiculaire à une paroi du four, et la surface courbe dévie le jet sensiblement de 90' de manière à ce que la flamme s'écoule tangentiel- lement à une paroi du four. Ce mode de réalisation permet d'élargir la flamme qui devient totalement plate et de chauffer la paroi réfractaire du four. On obtient ainsi une très bonne diffusion de la chaleur. Ce mode de réalisation s'appli- que de manière avantageuse aux fours de petites dimen- sions dans lesquels la flamme ne doit pas atteindre la charge à chauffer. On connaît également d'autres types de fours dans lesquels on souhaite obtenir une flamme fine. Nous pouvons dans ce cas désirer que la flamme reste parallèle à la surface du bain et ait une épaisseur aussi constante que possible afin d'assurer un chauffage régulier et homogène du bain. Ce problème est résolu conformément à la présente invention par le fait que la surface courbe se termine _ par une zone sensiblement perpendiculaire à la paroi du four de manière à obtenir une flamme perpendiculaire à cette paroi. Grâce à cette caractéristique on obtient une flamme fine dont on peut contrôler l'orientation. On obtient ainsi une flamme fine dont la distance à une charge peut être maintenue constante. Dans un mode de réalisation la zone sensiblement perpendiculaire à la paroi du four est disposée horizon- talement. Dans un autre mode de réalisation, la zone sensi- blement perpendiculaire à la paroi du four est disposée verticalement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhen- sion de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - La figure 1 est une vue en coupe d'un four de type connu; - la figure 2 est une vue en coupe d'un autre four de type connu; - la figure 3 est une vue schématique en coupe qui illustre le fonctionnement d'un dispositif d'étalement de flamme conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue en perspective d'un dispositif d'étalement de flamme conforme à l'invention comportant des buses principale et secondaire de section circulaire; - la figure 5 est une vue en perspective d'un dispositif d'étalement de flamme conforme à l'invention comportant des buses principale et secondaire de section rectangulaire avec un jet secondaire unique; - la figure 6 est une vue en perspective d'un dispositif identique à celui de la figure 5, mais comportant deux jets secondaires; - la figure 7 est une vue en perspective d'un dispositif d'étalement de flamme conforme à l'invention comportant une buse principale de section carrée; - la figure 8 est une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un four conforme à l'invention; - la figure 9 est une vue en coupe partielle d'un autre mode de réalisation d'un four conforme à l'inven- tion. L'effet Coanda est un phénomène connu dans lequel un écoulement en jet reste attaché à une surface tangente sur laquelle il s'écoule. Le jet reste attaché à la surface tangente même si celle-ci s'écarte progressi- vement de sa direction initiale d'un certain angle. Cet effet sera expliqué en référence à la figure 3 qui illustre le principe d'un dispositif d'étalement de flamme conforme à l'invention. Le dispositif comporte une buse principale 4 apte à délivrer un gaz, par exemple un gaz combustible. L'extrémité de la buse 4 est située dans un trou formé dans une paroi épaisse. Le jet principal, dont l'écoule- ment est schématisé par les flèches 6, débouche parallè- lement à une paroi courbe 10 formée par la paroi épaisse. La buse secondaire 8 est constituée par l'espace compris entre la buse principale 4 et la surface courbe 10. Le jet secondaire 12, par exemple de gaz comburant, s'écoule tangentiellement aux parois 10 à la sortie de la buse secondaire 8. L'espace compris entre l'extérieur de la buse principale 4 et la paroi 10 présente une section sensiblement constante et de faible dimension, par exemple 0,3 mm. Lorsque le jet principal est seul, il sort de la buse principale verticalement (selon l'orientation de la figure 3). Lorsque le jet secondaire 12 est seul, il s'écoule tangentiellement à la paroi 10 par effet Coanda. Cette paroi est courbe et s'évase progressivement jusqu'à former un angle de 90O par rapport à l'axe des buses principale et secondaire. Le jet secondaire, également appelé jet pariétal parce qu'il s'écoule le long de la paroi 10, produit une forte dépression dans la zone centrale o débouche la buse principale 4. Lorsque les deux jets, à savoir le jet principal et le jet secondaire (ou jet pariétal) s'écoulent simultané- ment, le jet pariétal dont la vitesse d'écoulement est nettement supérieure à celle du jet principal, aspire ce dernier. Les deux jets se mélangent et le jet résultant s'écoule horizontalement. La dépression créée par effet Coanda au coeur du jet pariétal dans la zone de courbure est telle que l'ensemble du jet principal est entraîné par le jet pariétal pour suivre la paroi 10. L'équilibre du jet étalé est parfaitement stable dans un domaine de vitesse relative du jet pariétal par rapport au jet principal et il n'est pas possible de rompre cet équili- bre. 2724217 - L'écoulement de gaz primaire, par exemple combusti- ble, se mélange rapidement avec l'écoulement de gaz secondaire, par exemple de gaz comburant, pour former un mélange combustible qui donne naissance à la flamme. On a représenté sur la figure 1 une vue en coupe d'un four de l'art antérieur, désigné par la référence générale 20. Ce four comporte une paroi extérieure 11 d'acier et une paroi intérieure 22 garnie de briques de matériau réfractaire. Une sole 24 est disposée sur le fond 26 du four. Une pièce métallique à chauffer 28, par exemple un lingot d'acier, repose sur la sole 24. A sa partie supérieure le four 20 comporte des moyens de chauffage 30 qui délivrent une flamme 32. Il est connu d'utiliser des dispositifs d'élargissement de flamme afin d'obtenir une flamme aussi large et plate que possible de manière à répartir la chaleur de cette flamme et à chauffer la pièce 28 de manière homogène.Cerésultat ne peut être atteint aisément avec les dispositifs d'élargissement de flammes actuellement connus. On a représenté sur la figure 4 des moyens de chauffage qui équipent un four conforme à la présente invention. Ces moyens de chauffage sont constitués par un tube 4, de section circulaire, qui constitue une buse princi- pale. Le tube 4 est entouré par un tube 7 également de section circulaire. Ce tube 7 est raccordé à une pièce torique 9. L'extrémité du tube 4 débouche sensiblement au milieu de l'épaisseur de la pièce 9. La pièce 9 est insérée dans la voûte du four à la position des moyens de chauffage 30 représentés sur la figure 1. Elle comporte la surface courbe 10. La paroi extérieure du four est constituée par une tôle d'acier 11 garnie intérieurement par les briques réfractaires 22. La buse principale 4 délivre un jet de gaz combus- tible. Un gaz comburan est amené dans l'espace annulaire 8 compris entre le tube 4 et le tube 7. Un passage annulaire de faible épaisseur est compris entre la surface extérieure de la pièce 9 et le diamètre extérieur du tube 4. La valeur typique de cet espace est comprise entre 0,2 mm et 1 mm, mais peut prendre d'autres valeurs. Ceci permet de donner au jet secondaire une vitesse d'écoulement beaucoup plus importante que celle du jet principal 6. Une canalisation 34 dans laquelle circule un fluide de réfrigération tel que de l'eau assure le refroidisse- ment de la pièce 9. Le fonctionnement de ces moyens de chauffage est identique à ce qui a été expliqué en référence à la figure 3. En d'autres termes, la flamme qui résulte du mélange du gaz combustible 6 et du gaz comburant 12 suit la surface courbe de la pièce 9 puis s'écoule le long des briques réfractaires 22, sensiblement parallèlement à ces dernières. Dans ces conditions la flamme chauffe essen- tiellement les briques réfractaires qui assurent ensuite une répartition de la chaleur par rayonnement.Il sera donc possible d'obtenir un chauffage très homogène d'une charge telle que la pièce 28. Il n'est pas indispensable que le gaz combustible s'écoule par la buse principale et le gaz comburant par la buse secondaire. Un résultat identique serait obtenu en délivrant le gaz comburant au moyen du tube 4 consti- tuant la buse principale et en amenant le gaz combustible dans l'espace annulaire compris entre le tube 4 et le tube 7. La pièce à chauffer 28 n'est pas touchée par les flammes parce que ces dernières s'écoulent le long de la - 2724217 paroi. Cette caractéristique est avantageuse en particu- lier dans le cas d'un four de petites dimensions. On a réalisé un four dont les parois garnies de matériau réfractaire comportaient des buses principales circulaires de 20 mm de diamètre. L'espace annulaire compris entre l'extérieur de la buse principale et la paroi tangente de la pièce 9 était de 0,3 mm. Une flamme, réalisée par un débit de propane de 2,5 1/min pour chaque buse a été complètement étalée pour un débit d'air supérieur à 40 1/min. La puissance développée par chaque flamme était de l'ordre de 4,2 W. On a représenté sur la figure 5 une variante de réalisation des moyens de chauffage équipant un four conforme à l'invention. Alors que sur la figure 4 la buse principale et la buse secondaire présentent une section circulaire, dans le cas du mode de réalisation de la figure 5 la buse principale est constituée par un caisson 35 de section rectangulaire allongée. Une plaque 37 délimite avec la paroi du caisson 35 qui lui fait face un espace qui permet d'amener le gaz secondaire, qu'il s'agisse du gaz combustible ou du gaz comburant. La pièce 9, au lieu de présenter une forme torique, est de forme rectiligne allongée. Elle délimite une fente qui s'étend parallèlement à la longueur du four. Le fonctionnement de ce dispositif est identique. Son avantage réside dans le fait qu'il permet d'obtenir une flamme de grande largeur, par exemple une flamme qui occupe la plus grande partie de la longueur du four. Ceci permet d'obtenir une meilleure répartition de la chaleur sur la longueur du four qu'une série de buses de chauf- fage espacées. On a représenté sur la figure 6 une variante de réalisation du dispositif de la figure 5. Cette variante se distingue par le fait qu'un jet secondaire est prévu de chacun des grands côtés du caisson 35. Enfin, on a représenté sur la figure 7 une troi- sième variante de réalisation de ce dispositif. La buse principale 35 comporte une section carrée et la pièce 9 présente également une section carrée qui est arrondie à ses quatre coins. Cette variante permet d'obtenir quatre flammes, à savoir une flamme par côté. Il va de soi qu'un grand nombre d'autres formes pourrait être imaginé. On a représenté sur la figure 2 un second type de four de l'art antérieur, désigné par la référence 40. Il comporte des parois formées de briques réfractaires 22. Ce four contient une charge 42. Des buses de chauffage 44 sont prévues de chaque côté du four 40. On souhaite que les flammes 46 produites par les buses 44 soient parallèles au niveau de la charge 42 afin de la chauffer régulièrement. En outre, il a été constaté que les flammes 46 libèrent des radicaux hydroxyle qui oxydent la charge 42 lorsqu'elles en sont trop proches. Une flamme fine, dont la distance à la surface du bain est constante, permet d'éviter cet inconvénient. La figure 8 représente une vue en coupe verticale de moyens de chauffage équipant un four conforme à la présente invention. Ces moyens de chauffage comportent un caisson 35 de section rectangulaire allongée identique aux caissons représentés sur les figures 5 et 6. Un carter de tôle 50 relie une paroi extérieure du caisson à la paroi du four. Un conduit d'amenée 52 transporte un gaz secondaire 12 jusqu'à la buse secondaire consti- tuée par une fente de faible largeur prévue entre une paroi extérieure du caisson 35 et la surface courbe de la pièce 9. Le jet principal 6 et le jet secondaire 12 se mélangent et suivent la paroi de la pièce 9. On notera également la présence des canalisations destinées à la circulation facultative d'un fluide de refroidissement tel que l'eau. La pièce 9 se termine par une surface horizontale 54 perpendiculaire à la paroi verticale 22 du four. De la sorte, la flamme 56 se détache de la pièce 9 et pénètre dans le four horizontalement, c'est-à-dire parallèlement à la surface du bain de verre 42. En outre, il a été constaté que la flamme 56 ne s'évase pas et reste fine, même à une distance relative- ment importante de la paroi 22 du four. Cette caractéris- tique est particulièrement intéressante parce que l'on peut ainsi disposer la flamme de manière qu'elle soit relativement proche de la surface de la charge sans cependant la toucher. On a représenté sur la figure 9 un troisième mode de réalisation d'un dispositif de chauffage pour un four.On retrouve la paroi 11 de tôle extérieure du four et les briques réfractaires 22 qui garnissent cette paroi. Les moyens de chauffage sont identiques à ceux qui ont été décrits en référence à la figure 8, mais l'orien- tation de la pièce 9 est différente. La référence 22a désigne la partie haute du four et la référence 22b la partie basse de ce four. On constate donc que la surface plane de la pièce 9 est disposée selon un plan vertical au lieu d'un plan horizontal selon la figure 8. La section de sortie du caisson 35 consti- tuant la buse principale est également disposé selon un plan vertical. Par suite la flamme mince 56 l'est également. Un dispositif tel que celui qui est représenté sur la figure 9 peut être utilisé dans un four du type représenté sur la figure 2. Toutefois la hauteur de la pièce 9 ne doit pas être très importante. En effet, il est souhaitable que la flamme 56 reste relativement proche de la surface libre du bain de verre 42. C'est la raison pour laquelle on disposera une série de dispositifs de chauffage identi- ques à celui qui est représenté sur la figure 9 selon la longueur du four afin de chauffer la charge. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étalement d'une flamme caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse principale (4, 35) délivrant un jet de gaz combustible ou de gaz comburant (6), au moins une buse secondaire (8) délivrant un jet de gaz comburant ou de gaz combustible (12) qui s'écoule autour du jet principal et qui possède une épaisseur sensiblement constante, et au moins une surface courbe (9) disposée tangentiellement au jet de gaz secondaire afin de le dévier par effet Coanda, d'aspirer le jet de gaz principal (6) et de mélanger le gaz du jet secondaire (12) et le gaz du jet principal (6) pour former une flamme. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse principale (4) présente une section circulaire, et que la buse secondaire (8), de section annulaire, entoure la buse principale. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse principale (4) présente une section de forme rectangulaire, au moins une buse secondaire (35) délivrant un jet secondaire (12) tangentiel à l'un des côtés du rectangle formé par la buse principale (35). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse principale présente une section de forme polygonale. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4 caractérisé en ce que le gaz combustible est le méthane ou le propane. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5 caractérisé en ce que le gaz comburant est l'oxygène ou l'air. 7. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant des parois (22) délimitant une enceinte et des moyens de chauffage, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par un dispositif d'étalement de flamme selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6. 8. Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que le jet principal est sensiblement perpendiculaire à une paroi (22) du four et en ce que la surface courbe (9) dévie le jet (6) sensiblement de 90 de manière à ce que la flamme s'écoule tangentiellement à une paroi du four. 9. Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface courbe (9) se termine par une zone (54) sensiblement perpendiculaire à une paroi (22) du four de manière à obtenir une flamme (56) perpendiculaire à cette paroi. 10. Four selon la revendication 9, caractérisé en ce que la zone (54) sensiblement perpendiculaire à une paroi (22) du four est disposée horizontalement. 11. Four selon la revendication 9, caractérisé en ce que la zone (54) sensiblement perpendiculaire à une paroi (22) du four est disposée verticalement.