Brevet FR2727744A1 — publié le 19960607

La présente invention concerne les brûleurs à matériau combustible solide. Elle concerne aussi les installations mettant en oeuvre la combustion de combustible solide et comprenant un tel brûleur. On connaît déjà des installations, notamment des chaudières, qui utilisent comme source de chaleur la combustion d'un matériau solide. Celui-ci peut être constitué de déchets de bois tels que du bois déchiqueté, de la sciure ou des copeaux. I1 peut aussi s'agir d'autres types de matériau combustible solide plus ou moins morcelé ou déchiqueté (charbon, .) - Les brûleurs utilisés pour la combustion des matériaux solides comprennent généralement une chambre de combustion alimentée en combustible par une vis sans fin depuis un réservoir de stockage. Le combustible s'accumule dans la chambre où a lieu sa distillationcombustion. La chambre de combustion débouche par une ouverture dans un conduit en matériau réfractaire qui met en communication le brûleur avec l'enceinte à chauffer.Une source de gaz comprimé communique avec la chambre afin de pousser la flamme de combustion à l'intérieur du conduit pour que cette flamme chauffe l'enceinte. Ce type d'installation présente des inconvénients. Tout d'abord, la chambre de combustion et le conduit de passage de la flamme doivent être disposés devant l'installation, ce qui génère un encombrement très important. Ensuite, la nécessité de faire passer la flamme dans le conduit occasionne une importante perte de chaleur dans ce conduit. C'est pourquoi la présente invention vise à pallier ces désavantages en réalisant un brûleur ne nécessitant pas la mise en place d'un conduit intermédiaire de passage de flamme de sorte que le brûleur est peu encombrant et réduit considérablement les pertes de chaleur. La présente invention vise donc un brûleur à matériau combustible solide, comprenant un corps de brûleur présentant une enveloppe en matériau réfractaire délimitant par au moins une de ses faces intérieures une chambre de combustion, une vis sans fin dont l'arbre est entraîné par un moyen associé et montée tournante dans le corps de brûleur pour acheminer le combustible depuis un réservoir de stockage jusqu'à la chambre de combustion, la chambre de combustion présentant en outre une ouverture destinée à communiquer avec une enceinte à chauffer et située dans la direction aval d'acheminement du combustible. Selon l'invention, l'arbre de la vis se prolonge axialement à son extrémité aval par un nez présentant une surface extérieure lisse sur laquelle arrive le combustible acheminé, lequel nez est en outre équipé de moyens de refroidissement intégrés, et en ce que la face intérieure de l'enveloppe est tubulaire, coaxiale à la vis et s'étend vers l'aval en entourant le nez de la vis pour définir avec celui-ci une chambre annulaire formant la chambre de combustion. La chambre annulaire étant située directement dans le prolongement de la portion filetée de la vis, le combustible demeure groupé en périphérie du nez de la vis. I1 ne s'accumule pas et la distillation-combustion de chaque élément de combustible a lieu dès son arrivée dans la chambre de combustion. On peut donc très facilement donner à la chambre de combustion annulaire un diamètre relativement faible juste nécessaire à la combustion de la quantité requise de combustible par unité de temps de sorte que le combustible en combustion occupe un volume réduit. La chambre de combustion devenant ainsi peu encombrante et étant alimentée en combustible en continu par la vis, on peut disposer le brûleur de sorte que l'ouverture de la chambre de combustion débouche directement dans l'enceinte à chauffer sans installer le conduit de passage de flamme précité. Cela réduit encore l'encombrement de l'ensemble et les pertes de chaleur deviennent négligeables car la flamme vient directement chauffer l'enceinte. La chambre de combustion peut être de volume réduit pour produire une flamme relativement courte par rapport aux brûleurs connus jusqu'à présent puisque la base de la flamme se trouve maintenant très près de l'enceinte à chauffer. Le volume de la chambre de combustion peut ainsi être ramené au strict volume nécessaire à la production et l'épanouissement de la flamme désirée. Le nez de la vis est en contact direct avec la flamme mais son échauffement est évité grâce aux moyens de refroidissement du nez. La base du nez se trouve dans le prolongement de la surface de l'arbre de la vis pour recevoir le combustible acheminé par celle-ci. La section transversale de la face tubulaire intérieure de l'enveloppe et du nez peut être de formes variées, par exemple polygonale ou circulaire. La forme générale de cette face intérieure de l'enveloppe et du nez peut aussi être de différents types. Elle peut être par exemple conique ou cylindrique ou encore présenter des facettes planes. Selon une version avantageuse de l'invention, les moyens de refroidissement mettent en oeuvre un gaz. Selon une version préférée de l'invention, l'arbre et le nez de vis sont réalisés creux et le nez présente des canaux de passage, ledit arbre pouvant être relié à une source de gaz de sorte que le gaz débouche par lesdits canaux dans la chambre de combustion. On refroidit ainsi le nez de vis de façon particulièrement simple et efficace. De plus, le gaz sortant des canaux a pour effet d'éloigner la flamme de la surface du nez de la vis, notamment en projetant la flamme contre l'enveloppe tubulaire si bien que l'échauffement du nez est encore réduit. On tend à obtenir aussi un rebond de la flamme contre la face tubulaire de l'enveloppe, ce qui contribue à rendre la flamme plus symétrique, plus rayonnante et plus circonférentielle. En outre, comme le gaz de refroidissement arrive finalement dans la chambre de combustion, on peut choisir d'employer un gaz capable de participer à la combustion en tant que comburant de sorte qu'on s'abstient d'alimenter par ailleurs la chambre de combustion avec un gaz comburant Ainsi, si l'on choisit de l'air atmosphérique ventilé, on réalise une aérocombustion et le brûleur produit une flamme de température moyenne, par exemple à 1 8000C. Alternativement, on peut refroidir le nez avec de l'oxygène pur. On pourra alors facilement rendre la combustion complète: on produira une oxycombustion, avec une flamme haute température, par exemple à 22000C. Le brûleur selon l'invention devient dès lors utilisable dans des installations telles que des enceintes métallurgiques de chauffage, de recuit ou de fusion. On peut même employer ce brûleur dans un chalumeau d'oxycoupage. Par ailleurs, loxycombustion ne produit pas d'oxyde d'azote, gaz toxiques et polluants générés durant l'aérocombustion. Selon une version avantageuse de l'invention, chaque canal de passage de gaz est incliné localement vers l'aval par rapport à une direction orthogonale à l'axe de la vis, afin d'orienter la flamme produite dans la chambre de combustion dans la direction de l'axe de la vis, en direction de l'ouverture. On réduit ainsi l'échauffement de l'enveloppe tubulaire et on rapproche la flamme de l'enceinte à chauffer. Selon une version préférée de l'invention, la face intérieure de l'enveloppe s'étend vers l'aval au-delà du nez au moins jusqu'au point d'intersection le plus en aval parmi les points d'intersection entre cette face et l'axe des canaux de passage. Cette version permet de rendre maximum l'effet de rebond de la flamme sur la face tubulaire de l'enveloppe en matériau réfractaire. Selon une version préférée de l'invention, l'enveloppe en matériau réfractaire est montée tournante par rapport au corps de brûleur, le brûleur comprenant en outre des moyens d'entraînement de l'enveloppe en rotation en sens contraire du sens de rotation de la vis. Par exemple, si le corps de brûleur comprend un carter fixe par rapport au support du brûleur, la vis et l'enveloppe seront mobiles en rotation autour d'un même axe fixe du carter, respectivement en sens contraires par rapport au carter. La rotation de l'enveloppe en sens contraire de la vis permet d'obtenir une meilleure répartition du combustible acheminé par la vis, durant sa combustion. On améliore ainsi la qualité de la combustion et on tire le parti maximal du volume de la chambre de combustion. La présente invention vise également une installation mettant en oeuvre la combustion de combustible solide, cette installation comprenant un réservoir de stockage du combustible, un brûleur de combustible solide comprenant une chambre de combustion, et une enceinte à chauffer par le brûleur. Selon l'invention, le brûleur présente lune au moins des caractéristiques précitées, et il est disposé de sorte que l'ouverture de la chambre de combustion débouche directement dans l'enceinte à chauffer par le brûleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description qui va suivre de deux modes préférés de réalisation. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non-limitatifs: - la figure 1 est une vue en coupe en élévation d'une installation selon l'invention comprenant un brûleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue agrandie du détail D de la figure 1; et - la figure 3 est une vue en élévation en coupe montrant une partie des moyens d'entraînement en rotation de la vis et de l'enveloppe tubulaire dans un deuxième mode de réalisation. L'installation 1 représentée à la figure 1 est une chaudière destinée au chauffage de locaux industriels. Elle met en oeuvre la combustion de combustible solide. L'installation 1 comprend un réservoir de stockage 2 du combustible 3 qui est ici constitué de copeaux de bois. Elle comprend aussi un brûleur de combustible solide 4 selon l'invention, et une enceinte 6 à chauffer par le brûleur. L'enceinte 6 comprend par exemple des tubulures 8 traversées par un liquide tel que de l'eau qui alimente par ailleurs un ensemble de radiateurs non représenté. En référence à la figure 2, le brûleur 4 comprend un corps de brûleur 10 présentant une enveloppe en matériau réfractaire 12 et protégée par un carter 11. En l'espèce, une face intérieure 14 de cette enveloppe 12 délimite la chambre de combustion 18 du brûleur 4, où a lieu la distillation-combustion des copeaux de bois. Le brûleur comprend en outre une vis sans fin 20 dont l'arbre 22 d'axe 24 et qui porte un filet 25, est entraîné en rotation par un moyen associé classique tel qu'un moteur 26 représenté schématiquement sur la figure 1. La vis 20 est montée tournante dans le corps de brûleur 10 par rapport au carter 11 pour acheminer le combustible 3 depuis le réservoir de stockage 2 jusqu'à la chambre de combustion 18. Sur sa portion servant à l'acheminement du combustible, la vis 20 est recouverte d'une gaine 21. L'arbre 22 de la vis se prolonge axialement à son extrémité aval suivant la direction d'acheminement du combustible par un nez 28 présentant une surface extérieure 30 lisse sur laquelle arrive le combustible acheminé. En l'espèce, le nez 28 de la vis a une forme tronconique coaxiale à l'arbre 22, de section transversale circulaire, le sommet du cône se trouvant dans la direction aval. L'arbre 22 et le filet 25 de la vis 20 sont en acier, et le nez 28 est en acier réfractaire. La face intérieure 14 de l'enveloppe 12 est tubulaire et coaxiale à la vis 20. En l'espèce, la face intérieure 14 de l'enveloppe est à section transversale circulaire. Elle s'étend vers l'aval en entourant le nez 28 de la vis pour définir avec celui-ci une chambre annulaire formant la chambre de combustion 18 dans laquelle est générée une flamme 29. La chambre de combustion 18 présente en outre une ouverture 31 située dans la direction aval et débouchant directement dans l'enceinte à chauffer 6. Le brûleur 4 est fixé à l'enceinte 6 à chauffer par des moyens classiques, par exemple les brides de fixation standard, non représentées, utilisées habituellement pour la fixation des brûleurs à combustible fluidique. En outre, le nez 28 est équipé de moyens de refroidissement intégrés. En l'espèce, ces moyens de refroidissement mettent en oeuvre un gaz qui est ici de l'air atmosphérique ventilé comprimé. Cependant, dans d'autre modes de réalisation, il pourrait s'agir d'un autre gaz, par exemple d'oxygène pur. L'arbre 22 et le nez de vis 28 sont réalisés creux. La vis présente ici un évidement longitudinal 32 s'étendant dans la direction de l'axe 24 de la vis. Le nez 28 présente des canaux de passage 34 d'axe 36 à section transversale circulaire. L'arbre 22 est relié par son extrémité 38 opposée au nez à une source d'air atmosphérique ventilé comprimé 40, visible sur la figure 1, de sorte que l'air ainsi envoyé dans l'arbre 22 débouche par les canaux 34 dans la chambre de combustion 18. Chaque canal de passage 34 est incliné localement vers l'aval par rapport à une direction orthogonale à l'axe 24 de la vis, afin d'orienter la flamme 29 dans la direction de l'axe 24 de la vis, en direction de l'ouverture 31. La face intérieure 14 de l'enveloppe 12 s'étend vers l'aval au-delà du nez 28 au moins jusqu'au point d'intersection 42 le plus en aval parmi les points d'intersection entre cette face 14 et l'axe 36 des canaux de passage 34. Bien entendu, ces points d'intersection sont des objets purement géométriques, de même que les axes 36 des canaux. En l'espèce, il y a plusieurs points d'intersection 42 puisque les canaux 34 sont distribués sur le nez symétriquement par rapport à l'axe 24 de la vis. En l'espèce, la face intérieure 14 de l'enveloppe 12 présente une portion amont cylindrique 60 et une portion aval conique 61. Le cône formant la portion aval 61 est coaxial à la vis 20 et a son sommet en direction aval. Cette portion aval 61 constitue un bord de retenue pour les matériaux dont la combustion et en cours (si l'axe de la vis est disposé horizontalement), et aussi améliore la densité de la flamme 29. Le nez 28 de la vis porte des moyens d'allumage 44 du brûleur constitués ici par une résistance électrique alimentée en énergie depuis l'intérieur de la vis 20 par le câblage 46 relié à une source d'électricité non représentée. L'installation 1 qui vient d'être décrite fonctionne de la façon suivante. Les copeaux de bois 3 acheminés en continu par la vis 20 depuis l'enceinte 2 arrivent dans la chambre de combustion 18 entre le nez 28 et la face 14 de l'enveloppe. Ils y subissent la distillation-combustion qui produit et entretient la flamme 29. L'air envoyé par la source 40 à travers l'évidement longitudinal 32 de la vis s'échappe par les canaux 34. I1 apporte l'oxygène nécessaire à la combustion et vient pousser la flamme 29 vers la face 14 de l'enveloppe et l'ouverture 31. De la sorte, la flamme pénètre dans l'enceinte 6 qu'elle réchauffe. La chambre annulaire 18 occupe un volume réduit dans lequel les copeaux 3 sont immédiatement brûlés sans s'accumuler. Elle produit une flamme 29 qui vient directement chauffer l'enceinte 6. Les canaux 34 refroidissent le nez de vis qui ne s'échauffe que très peu, éloignent la flamme du nez 28 et améliorent la forme de la flamme. La figure 3 représente une partie du corps du brûleur dans un autre mode de réalisation dans lequel les éléments similaires portent les mêmes références. Ici, l'enveloppe en matériau réfractaire 12 est montée tournante par rapport au carter de brûleur 11. Pour cela, les brides de fixation du brûleur à l'enceinte 6 comprennent par exemple des roulements adaptés non-représentés. Le brûleur comprend en outre des moyens d'entrai- nement de l'enveloppe 12 en rotation autour de son axe 24 en sens contraire du sens de rotation de la vis 20. En l'espèce, ces moyens comprennent une couronne de vis 50 à denture externe, extérieure à la vis 20 et solidaire d'une portion de l'arbre 22 dépourvue de filet et située en amont du filet 25. Ces moyens comprennent aussi une couronne d'enveloppe 52 à denture interne, intérieure à l'enveloppe et solidaire de celle-ci. Un pignon 54 mobile en rotation autour de son axe 56 fixe par rapport au carter 11, engrène simultanément avec les deux couronnes 50, 52. La vis 20 est entraînée en rotation par les moyens associés précités 26. La couronne 50 provoque donc la rotation du pignon 54 autour de son axe 56 de sorte que le pignon 54 met la couronne 52 et l'enveloppe 12 en rotation en sens contraire de la vis 20. Le choix du nombre de dents sur chacun de ces trois éléments d'engrenage permet de déterminer la vitesse de rotation de l'enveloppe 12 à partir de celle de la vis 20. Ce mode de réalisation permet d'obtenir en permanence une bonne répartition du combustible 3 dans la chambre annulaire de combustion 18 et d'utiliser au mieux le volume de celle-ci. Dans ce mode de réalisation, on prévoira des lumières dans l'épaisseur de l'enveloppe 12 en regard de l'enceinte de stockage 2 du combustible pour permettre l'arrivée du combustible jusqu'au filet 25 de la vis. Bien entendu, on pourra apporter de nombreuses modifications et améliorations à l'invention sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra notamment donner des formes très variables au nez de la vis ainsi qu'à la face intérieure de l'enveloppe délimitant la chambre annulaire de combustion. On pourra aussi prévoir d'autres modes d'entraînement de l'enveloppe réfractaire, par exemple à partir de la vis au moyen d'une courroie ou d'une chaîne. REVENDICATIONS 1. Brûleur (4) à matériau combustible solide (3), comprenant un corps de brûleur (10) présentant une enveloppe (12) en matériau réfractaire délimitant par au moins une (14) de ses faces intérieures une chambre de combustion (18), une vis sans fin (20) dont l'arbre (22) est entraîné par un moyen associé (26) et montée tournante dans le corps de brûleur pour acheminer le combustible depuis un réservoir de stockage (2) jusqu'à la chambre de combustion (18), la chambre de combustion présentant en outre une ouverture (31) destinée à communiquer avec une enceinte (6) à chauffer et située dans la direction aval d'acheminement du combustible, le brûleur étant caractérisé par le fait que l'arbre (22) de la vis se prolonge axialement à son extrémité aval par un nez (28) présentant une surface extérieure lisse (30) sur laquelle arrive le combustible acheminé, lequel nez (28) est en outre équipé de moyens de refroidissement intégrés (34), et en ce que la face intérieure (14) de l'enveloppe (12) est tubulaire, coaxiale à la vis (20) et s'étend vers l'aval en entourant le nez (28) de la vis pour définir avec celui-ci une chambre annulaire formant la chambre de combustion (18). 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de refroidissement (34) mettent en oeuvre un gaz. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'arbre (22) et le nez (28) de vis sont réalisés creux et le nez (28) présente des canaux (34) de passage de gaz, ledit arbre pouvant être relié à une source de gaz (40) de sorte que le gaz débouche par lesdits canaux (34) dans la chambre de combustion (18). 4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que chaque canal (34) de passage de gaz est incliné localement vers l'aval par rapport à une direction orthogonale à l'axe (24) de la vis, afin d'orienter la flamme (29) produite dans la chambre de combustion (18) dans la direction de l'axe (24) de la vis, vers l'ouverture (31). 5. Brûleur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la face intérieure (14) de l'enveloppe (12) s'étend vers l'aval au-delà du nez (28), au moins jusqu'au point d'intersection (42) le plus en aval parmi les points d'intersection entre cette face (14) et l'axe (36) des canaux de passage (34). 6. Brûleur selon lune des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le gaz précité est de l'oxygène pur. 7. Brûleur selon lune des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que le nez (28) de la vis porte des moyens d'allumage (44) du brûleur alimentés en énergie depuis l'intérieur de la vis. 8. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'enveloppe (12) en matériau réfractaire est montée tournante par rapport au corps de brûleur (10), le brûleur comprenant en outre des moyens d'entraînement (50, 52, 54) de l'enveloppe (12) en rotation en sens contraire du sens de rotation de la vis (20). 9. Brûleur selon lune des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le nez (28) de la vis est en matériau réfractaire. 10. Brûleur selon lune des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite face intérieure (14) de l'enveloppe (12) et le nez (28) prolongeant l'arbre (22) de vis sont de section transversale circulaire. 11. Brûleur selon lune des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la portion (61) la plus en aval de la face intérieure (14) de l'enveloppe (12) a une forme conique, le cône étant coaxial à la vis (20) et ayant son sommet en direction aval. 12. Installation (1) mettant en oeuvre la combustion de combustible solide, comprenant un réservoir de stockage du combustible (2), un brûleur de combustible solide (4) comprenant une chambre de combustion (18), et une enceinte (6) à chauffer par le brûleur, cette installation étant caractérisée par le fait que le brûleur (4) est conforme à l'une des revendications précédentes et il est disposé de sorte que l'ouverture (31) de la chambre de combustion (18) débouche directement dans l'enceinte (6) à chauffer par le brûleur (4).