Brevet FR2725017A1 — publié le 19960329

La présente invention concerne les oxybrûleurs utilisés dans des fours de production à haute température, notamment les fours de verre, et plus particulièrement un ouvreau pour oxybrûleur non refroidi du type comprenant un bloc en matériau réfractaire formé avec un passage traversant. Les ouvreaux pour oxybrûleurs non refroidis comportent le plus souvent un passage cylindrique droit, comme décrit dans le document US-A-5.267.850 ou comportant une zone de sortie évasée, comme décrit dans le document US-A-5.092.760. Dans le premier cas, la combustion s'amorçant dans le passage, la vitesse des gaz sortant du passage, et entrant dans le four, est très élevée, même dans le cas o les vitesses d'éjection du carburant et du comburant oxygéné sont faibles, ce qui ne convient pas à de nombreuses utilisations, en particulier dans les fours de verre. Dans le deuxième cas, les vitesses d'éjection doivent être relativement importantes pour refroidir le passage de l'ouvreau et éviter le retour de gaz de combustion du four dans ce dernier, ce qui se traduit également par des vitesses de sortie excessives. La présente invention a pour objet de proposer un ouvreau pour oxybrûleur et un ensemble d'oxybrûleur comportant un tel ouvreau permettant de réduire les vitesses d'éjection du carburant et du comburant oxygéné, donc de diminuer la turbulence et de retarder le mélange entre ces composants, permettant ainsi d'éviter la formation de pointes de température élevées dans l'ouvreau, génératrices d'oxydes nitreux, d'augmenter la luminosité de la flamme pour former un transfert radiatif amélioré avec une vitesse de gaz en sortie d'ouvreau maintenue à un niveau relativement faible. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le passage de l'ouvreau comporte une zone de sortie sensiblement cylindrique de diamètre Ds et de longueur Ls se raccordant à une zone d'entrée sensiblement cylindrique de diamètre De, le rapport DS/De étant compris entre environ 1,5 et 2,5. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le rapport DS/De n'excède pas 2; - le rapport Ls/(Ds-De) est compris entre environ 2 et 7, typiquement entre 4 et 6; -la zone de sortie comporte une portion amont conique de raccordement à la zone d'entrée, ayant typiquement un angle d'évasement inférieur à 45 et une longueur ú n'excédant pas environ 15 % de la longueur Ls de la zone de sortie. Le document US-A-3.748.087 décrit un ensemble d'un aéro- brûleur et d'un ouvreau comportant un passage ayant une zone de sortie courte et très large et une zone d'entrée longue et de faible diamètre pour y réaliser un mélange intime du carburant et de l'air comburant à haute vitesse et permettre une pré-combustion dans la zone de sortie. La présente invention a également pour objet un ensemble d'un oxybrûleur et d'un ouvreau tel que défini ci-dessus, comportant au moins une canalisation interne d'éjection de carburant et au moins une canalisation périphérique d'éjection de comburant oxygéné dont les extrémités se terminent dans la zone d'entrée de l'ouvreau. Selon une autre caractéristique de l'invention, la canalisation interne de carburant débouche à l'extrémité aval de la zone d'entrée, à son raccordement avec la zone de sortie. La présente invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un tel ensemble d'oxybrûleur et d'ouvreau dans lequel le comburant oxygéné est ejecté à une vitesse non inférieure à 5 mètres/ seconde (m/s) et avantageusement inférieure à 60 m/s, le carburant étant éjecté à une vitesse supérieure à la vitesse d'éjection du comburant oxygéné. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un ensemble oxybrûleur et ouvreau selon l'invention; - la figure 2 est une courbe montrant le profil des vitesses de gaz en sortie d'ouvreau d' ensembles selon la figure 1; et - la figure 3 est une vue schématique, analogue à la figure 1, d'un deuxième mode de réalisation d'un ensemble oxybrûleur et ouvreau selon l'invention. Sur la figure 1, on reconnaît l'extrémité aval d'un oxybrnleur 1 s'étendant partiellement dans un passage traversant 2 d'un ouvreau 3 réalisé en matériau réfractaire et destiné à être monté dans la paroi d'un four (non représenté), notamment un four de verre. Selon l'invention, le passage 2 de l'ouvreau 3 comporte une zone de sortie sensiblement cylindrique 4 de diamètre intérieur Ds et de longueur axiale Ls se raccordant à une zone d'entrée coaxiale sensiblement cylindrique 5 de diamètre intérieur De. Dans le mode de réalisation représenté, I'oxybrûleur 1 comporte au moins une canalisation centrale 6 d'éjection de carburant gazeux ou liquide atomisé, coaxiale à la zone d'entrée 5 et dont l'extrémité avant ou débouché est sensiblement coplanaire avec le plan 7 de sortie de la zone d'entrée 5. L'oxybrûleur 1 comporte au moins une conduite périphérique 8 d'éjection de gaz comburant oxygéné ayant une teneur en oxygène d'au moins 85 % emmanchée dans l'extrémité amont de la zone d'entrée 5 et se terminant dans cette dernière, à distance, en arrière, de l'extrémité 7 de la canalisation de carburant 6. Avantageusement, la zone de sortie 4 comporte une partie amont 9, typiquement tronconique de demi-angle a et de longueur e se raccordant, avantageusement continûment, sans arête vive, à l'extrémité aval de la zone d'entrée 5 et à la partie principale de la zone de sortie 4. Selon un aspect de l'invention, le rapport des diamètres Ds/De est compris entre environ 1,5 et 2,5, avantageusement inférieur à environ 2 et le rapport Ls/(Ds-De) de la longueur de la zone de sortie, à la différence des diamètres entre les zones de sortie et d'entrée compris entre environ 2 et 7, typiquement entre environ 4 et 6. Dans le mode de réalisation avantageux représenté, I'angle ca de la zone de raccordement 9 n'excède pas 45 et la longueur ú n'excède pas 15 % de la zone Ls de la zone de sortie 4. Pour garantir un refroidissement suffisant de l'ensemble oxybrûleur/ouvreau, la vitesse de sortie du gaz comburant oxygéné dans la zone d'entrée 5 est supérieure à 5 m/s et n'excède avantageusement pas environ 60 m/s. Corrélativement, la vitesse d'éjection du carburant à l'extrémité 7 de la canalisation 6 est comprise entre 1 et environ 6 fois la vitesse d'éjection du gaz comburant oxygéné, typiquement entre 1,5 et 3 fois cette dernière. 4 2725017 On a représenté sur la figure 2 le profil des vitesses axiales des gaz de combustion dans le plan de la sortie 10 de la zone de sortie 4, les ordonnées étant la vitesse axiale en mètres/seconde et les abscisses, la localisation d'un point dans le plan de sortie déterminée par le rapport entre son rayon par rapport à l'axe et le rayon maximal (égal à Ds/2), avec une vitesse d'éjection de gaz naturel de 30 m/s et une vitesse d'éjection d'oxygène impur de 15 m/s, et avec les deux géométries d'ouvreau A et B selon le tableau ci-dessous: De Ds Ls Ds/De L/(DsDe) A 35 52 120 1,5 7 B 35 60 120 1,7 4,8 Comme on le voit sur la figure 2, la vitesse axiale des gaz de combustion en sortie de l'ouvreau n'excède en aucun endroit 40 m/s mais reste supérieur à 10 m/s jusqu'au voisinage immédiat de la couche limite le long des parois de la zone de sortie 4. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un ensemble d'oxybrûleur selon l'invention comprenant au moins deux, typiquement au moins trois, canalisations 6' d'éjection de carburant dont les débouchés sont tous coplanaires avec le plan 7 de sortie de la zone d'entrée 5. Typiquement, I'oxybrûleur comporte cinq (comme représenté) ou sept conduites 7' angulairement réparties autour de l'axe de la zone d'entrée 5. Les injecteurs multi-tubes ont peu été développés industriellement en raison des risques de surchauffe locale du bloc-ouvreau dans la zone des régénératrices adjacentes aux conduites d'injection du fait du rapprochement de ces dernières de la paroi de l'ouvreau par rapport à la version avec conduite centrale. La configuration cylindrique étagée de l'ouvreau selon l'invention permet de réduire considérablement ces risques. Pour les supprimer sensiblement, selon un aspect de l'invention, la distance s minimale entre une conduite interne 6' et la paroi adjacente de la zone d'entrée 5 de l'ouvreau est déterminée en fonction des dimensions de la zone de sortie 4 de l'ouvreau pour respecter la relation suivante: Ls/(s + (Ds-D2)/2) comprise entre environ 6 et 8. Cette relation exprime le fait que le combustible éjecté par une canne 6', avec un cône d'éjection théorique de demi-angle d'ouverture d'environ 6 , ne vient pas frapper la paroi interne de la zone de sortie 4 mais vient virtuellement frapper le prolongement de cette dernière en un point situé à une distance optimisée de l'extrémité 10 de l'ouvreau. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art, dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Ouvreau pour oxybrûleur, comprenant un bloc en matériau réfractaire (3) formé avec un passage traversant (2), caractérisé en ce que le passage (2) comprend une zone de sortie (4) sensiblement cylindrique de diamètre Ds et longueur Ls, se raccordant à une zone d'entrée (5) sensiblement cylindrique de diamètre De, le rapport Ds/De étant compris entre 1,5 et 2,5. 2. Ouvreau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport Ds/De n'excède pas 2. 3. Ouvreau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport Ls/(Ds-De) est compris entre 2 et 7. 4. Ouvreau selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport Ls/(Ds-De) est compris entre 4 et 6. 5. Ouvreau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de sortie (4) comporte une partie amont tronconique (9) se raccordant à la zone d'entrée (5). 6. Ouvreau selon la revendication 5, caractérisé en ce que la portion tronconique (9) a un demi-angle d'ouverture a n'excédant pas 45 . 7. Ouvreau selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur ú de la portion tronconique (9) n'excède pas 15 % de la longueur Ls de la section de sortie (4). 8. Ensemble d'un oxybrûleur (1) et d'un ouvreau (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxybrûleur comprend au moins une canalisation interne (6, 6') d'éjection de carburant, et au moins une canalisation périphérique (8) d'éjection de comburant oxygéné débouchant dans la zone d'entrée (5). 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que la canalisation interne de carburant (6, 6') débouche (en 7) à l'extrémité aval en 7 de la zone d'entrée (5). 10. Ensemble selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux canalisations internes (6'), chacune écartée de la paroi de la zone interne d'une distance (s) telle que: Ls/(s + (Ds-D2)/2) est comprise entre 6 et 8. 11. Procédé de mise en oeuvre d'un ensemble selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'on éjecte un gaz comburant comprenant au moins 85 % d'oxygène à une vitesse supérieure à 5 m/s et en ce qu'on éjecte un gaz carburant à une vitesse au moins égale à celle du gaz carburant. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on éjecte le carburant à une vitesse n'excédant pas 6 fois la vitesse du gaz comburant.