Brevet FR2745063A1 — publié le 19970822

La présente invention a pour objet un brûleur radiant, c'est-à-dire un brûleur séparant les fonctions de chauffage et de combustion, à la manière des tubes radiants utilisés pour le recuit des aciers. Un brûleur radiant est constitué d'un corps porté à haute température par la combustion d'un combustible gazeux (gaz naturel, gaz pauvres) avec un comburant qui peut être de l'oxygène pur ou de l'air enrichi. La chaleur est transmise à la charge par rayonnement des surfaces du brûleur portées à haute température. Les gaz de combustion sont évacués de l'enceinte thermique par des conduits d'évacuation afin que ces gaz ne viennent pas interférer avec l'atmosphère du four. Un brûleur radiant à haute température trouve des domaines d'applications privilégiés dans l'industrie du verre, de la vitrification, des céramiques, des métaux ferreux et non ferreux ainsi que dans les traitements thermiques. En effet la mise en oeuvre d'un tel brûleur s'effectue avec une grande souplesse. Par exemple un verrier peut maîtriser l'atmosphère de laboratoire adaptée à son verre en s'affranchissant des contraintes liées à l'interaction d'une atmosphère de combustion réductrice ou oxydante avec le bain de verre. Dans le cas de la seconde fusion du plomb et de l'aluminium, où il est important de ne pas produire d'oxyde de plomb (toxique) et d'alumine (défaut de qualité), un brûleur radiant permet également un meilleur contrôle du procédé en autorisant des atmosphères réductrices synthétiques parfaitement maîtrisées (par exemple par des mélanges azote/hydrogène). C'est également le cas en traitement thermique, par exemple dans les lignes de recuit en sidérurgie, où les moyens de chauffage reposent en partie sur l'utilisation de tubes radiants. Du fait des matériaux employés (aciers) les brûleurs radiants ou tubes radiants connus jusqu'à présent ont une température de paroi limitée, qui ne dépasse pas 1200"C environ. La demande de brevet allemand DE-43 22 109 décrit un brûleur radiant dans lequel la flamme est confinée à l'intérieur d'une céramique poreuse, ce qui permet d'obtenir en principe des températures supérieures. La céramique est divisée en deux zones de porosités différentes choisies de telle sorte que la flamme soit stabilisée à l'interface entre les deux zones. En effet à vitesse constante et dans certaines conditions (vitesse, rapport de mélange combustible/comburant, température, pression etc), de faibles porosités favorisent une propagation de la flamme dans le sens de l'écoulement, alors que des porosités élevées favorisent une remontée de la flamme. L'invention a pour but de réaliser un brûleur radiant à matériaux poreux, fonctionnant suivant un principe différent de celui du brûleur radiant précité. Le brûleur radiant visé par l'invention comporte une gaine, une chambre de combustion intérieure à la gaine et contenant un matériau poreux, une entrée d'un mélange gazeux de comburant et de combustible et une sortie pour les produits de combustion. Conformément à l'invention, le matériau poreux a une porosité constante dans l'ensemble de la chambre, et la géométrie de la chambre est telle que sa section croit dans la direction de l'écoulement du mélange gazeux, de sorte que ladite chambre est constituée en deux zones, à savoir une première zone contiguë à l'entrée, dans laquelle la flamme se propage dans la direction de l'écoulement, et une seconde zone, contiguë à la sortie, dans laquelle la flamme se propage en remontant l'écoulement. A porosité constante et dans certaines conditions opératoires, de vitesse, rapport de mélange combustible/comburant, température, pression etc..., les grandes vitesses d'écoulement du mélange gazeux favorisent le déplacement de la flamme dans le sens de l'écoulement c'est ce qui s'est produit dans la première zone du brûleur, contiguë à l'entrée. Par contre dans la seconde zone de la chambre de combustion, où la section est supérieure à celle de la première zone, les vitesses d'écoulement sont plus faibles et favorisent donc la remontée de la flamme. I1 en résulte que cette dernière est stabilisée à l'interface des deux zones de la chambre de combustion. Suivant une forme de réalisation de l'invention, la chambre de combustion est conique, l'écoulement du mélange gazeux se faisant axialement au brûleur, et 1 'entrée est prévue à la petite base de la chambre tandis que sa sortie s'effectue par sa grande base. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustre plusieurs forme de réalisation à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale à échelle réduite d'une première forme de réalisation du brûleur radiant selon l'invention. La figure 2 est une vue en perspective à échelle réduite, d'une seconde forme de réalisation du brûleur radiant selon l'invention. La figure 3 est une vue en coupe diamétrale d'une troisième forme de réalisation du brûleur dans laquelle la chambre de combustion est sphérique. Le brûleur radiant représenté à la figure 1 comporte une gaine 1 de forme conique, présentant une petite base la et une grande base lb une chambre de combustion 2 intérieure à la gaine et contenant un matériau poreux 3 qui remplit le volume compris entre la petite base la et la grande base lb. La gaine 1 est prolongée, au niveau de la petite base la, par un embout tubulaire 4 constituant l'entrée du brûleur pour un mélange gazeux de comburant et de combustible, la sortie des produits de combustion s'effectuant par la grande base lb. Le matériau poreux 3 a une porosité constante dans la totalité du volume de la chambre de combustion 2. Ce matériau poreux peut être constitué d'une matrice céramique prévue sous la forme par exemple d'une mousse en un ou plusieurs blocs, d'un ensemble de particules , sphériques ou non. La matrice céramique est constituée d'un matériau supportant les hautes températures et les atmosphères engendrées par la combustion, par exemple la zircone, l'alumine, le carbure de silicium, la magnésie. La chambre 2 est ainsi divisée en deux zones, à savoir une première zone A, contiguë à l'entrée 4, dans laquelle la flamme peut se propager dans le matériau poreux dans la direction de l'écoulement, ctest-à-dire vers la sortie lb et une seconde zone B, de section supérieure à celle de la zone A et croissant jusqu'à la sortie lb. Dans cette zone B, la flamme peut se propager en remontant l'écoulement gazeux, et ce en raison de la vitesse d'écoulement plus faible que dans la zone A. I1 en résulte que la flamme est stabilisée à l'interface 5 des zones A et B. L'allumage peut être réalisé au moyen d'un allumeur 6 placé à la sortie 4. Selon une variante de réalisation, l'allumage peut être réalisé par un allumeur 7 placé dans la zone A, en amont de la zone 5 de stabilisation de la flamme. L'allumeur peut être par exemple une résistance électrique, une flamme pilote ou un arc électrique. La chaleur dégagée par la combustion est transférée au milieu poreux 3 par induction, convection et rayonnement depuis la phase gazeuse vers la phase solide, ce qui conduit à l'échauffement du milieu poreux 3 et de la gaine 1. La chaleur est ensuite transférée vers la charge à chauffer par rayonnement de la gaine 1 du brûleur radiant. Divers types de géométrie du brûleur peuvent être prévus. Ainsi alors que dans la réalisation de la figure 1, l'enveloppe radiante 1 est conique, le brûleur illustré à la figure 2 et représentant une seconde forme de réalisation de l'invention, comporte une chambre de combustion cylindrique 8, remplie d'un matériau poreux 3. L'entrée du brûleur est constituée par un tube 9 à perforations radiales 9a noyé dans le matériau poreux 3 et disposé coaxialement à la chambre de combustion 8, laquelle est enveloppée par une gaine cylindrique 10. Le tube central 9 s'étend au-delà des faces d'extrémités de la masse poreuse 3. Le mélange gazeux est introduit par une extrémité du tube 9, et l'écoulement se fait par les trous 9a radialement dans la masse poreuse 3.Les produits de combustion sont évacués radialement à travers la gaine 10 si celle-ci n' est pas étanche auxdits produits. Si par contre la gaine 10 est étanche, les produits de combustion seront évacués par l'une des extrémités du brûleur ou les deux. Avantageusement, la gaine 10 peut alors comporter à ses deux extrémités opposées des prolongements (19) sur une certaine distance au-delà des faces d'extrémité de la masse poreuse 3. Les fumées et produits de combustion sortant des faces d'ex trémités de la masse 3 sont alors évacués en étant canalisés entre les prolongements 19 et le tube central 9. L'allumage peut être obtenu soit au moyen d'un allumeur 6 placé à la sortie 11, soit au moyen d'un allumeur 7 noyé dans la masse poreuse de la première zone A contiguë au tube perforé 2, la zone B étant constituée par la partie restante du matériau poreux 3. Dans la troisième forme de réalisation de l'invention, illustrée à la figure 3, la chambre de combustion 12 est sphérique et remplie d'un matériau poreux 12. L'entrée est constituée par un tube radial 13 traversant une gaine sphérique 15 enveloppant la masse poreuse sphérique 12 pour déboucher dans la zone centrale. Le brûleur comporte également une sphère 17 disposée du centre de la masse poreuse 12 et de diamètre très inférieur à celui de la gaine 15. La sphère 17 est perforée d'une série de trous 17a, dans l'un desquels débouche le tube 13. La chambre de combustion 14 est divisée en deux zones sphériques A et B, à partir de son centre, la première zone A englobant la sphère 17 et la seconde zone B englobant la première zone A. La flamme est stabilisée sur une interface sphérique 16 entre les deux zones A et B. Comme dans les réalisations précédentes, l'allumage peut être obtenu soit par un allumeur 6 placé près de la gaine 15 constituant la sortie, soit noyé dans le matériau poreux de la première zone A, la gaine 15 pouvant être traversée par les fumées et produits de combustion pour permettre leur évacuation. Le fonctionnement de ce brûleur sphérique est le suivant : le mélange gazeux est introduit dans le tube étanche 13, pénètre par le trou terminal 17a dans la sphère 17 qu'il remplit, puis diffuse par les autres trous 17a radialement dans le matériau poreux 12. Les fumées et produits de combustion sont évacués par traversée de la gaine 15 si celle-ci n'est pas étanche. Dans le cas contraire, selon par conséquent une variante avec gaine 15 étanche, le brûleur peut être complété par un tube extérieur 18 dont l'extrémité traverse la gaine 15 et s'enfonce légèrement dans la masse poreuse 12 pour permettre l'évacuation des produits de combustion. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et peut comporter des variantes d'exécution. Ainsi dans un autre mode de réalisation de l'invention, le brûleur conique de la figure 1 comporte une gaine 1 étanche. Les fumées et produits de combustion ne peuvent alors être évacués que par la sortie lb constituée par la grande base de la chambre de combustion. Cette étanchéité évite la contamination de l'atmosphère du four par les fumées et produits de combustion, et permet donc le contrôle de l'atmosphère du four. REVENDICATIONS 1. Brûleur radiant, comportant une gaine (1), une chambre de combustion (2; 8; 14) intérieure à la gaine et contenant un matériau poreux (3), une entrée (4) d'un mélange gazeux de comburant et de combustible, et une sortie (lb...) pour les produits de combustion, caractérisé en ce que le matériau poreux (3) a une porosité constante dans l'ensemble de la chambre, et en ce que la géométrie de la chambre est telle que sa section croit dans la direction de l'écoulement du mélange gazeux, de sorte que ladite chambre est constituée de deux zones, à savoir une première zone (A) contiguë à l'entrée dans laquelle la flamme se propage dans la direction de l'écoulement, et une seconde zone (B), contiguë à la sortie, dans laquelle la flamme se propage en remontant l'écoulement. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de combustion (2) est conique, l'écoulement du mélange gazeux se faisant axialement au brûleur, l'entrée (4) étant prévue à la petite base (la) de la chambre et sa sortie à sa grande base (lb). 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre de combustion (8) est cylindrique, et en ce que l'entrée est constituée par un tube perforé (9) coaxial à la chambre de combustion, laquelle est enveloppée par une gaine cylindrique (10), l'écoulement s'effectuant radialement à partir de l'intérieur du tube (9) par ses trous (9a) dans la masse poreuse (3) de la chambre de combustion. 4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la gaine (10) est étanche et comporte à ses extrémités opposées des prolongements (19) sur une certaine distance au-delà des faces d'extrémités de la masse poreuse (3), le tube central (9) s'étendant également audelà desdites faces d'extrémités, de telle sorte que les produits de combustion sont évacués entre lesdits prolongements (19) et le tube central (9). 5. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de combustion (14) est sphérique et contient une sphère centrale (17) perforée de trous (17a), et en ce qu'un tube radial (13) d'amenée du mélange gazeux traverse une gaine sphérique (15) enveloppant la masse poreuse sphérique (12) pour déboucher dans un trou (17a) de la sphère (17). 6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la gaine (15) peut être traversée par les produits de combustion. 7. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la gaine (15) est étanche aux produits de combustion et le brûleur est pourvu d'un tube extérieur (18) dont l'extrémité traverse la gaine (15) et s'enfonce légèrement dans la masse poreuse (12) pour permettre l'évacuation des produits de combustion. 8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un allumeur (6) placé à la sortie des produits de combustion. 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un allumeur (7) placé dans ladite première zone (A) de la chambre de combustion. 10. Brûleur selon les revendications 1 et 2, caractérieur en ce que la gaine (1) est étanche, les produits de combustion étant alors évacués uniquement par la sortie (lb) constituée par la grande base de la chambre de combustion (2).