Brevet FR2745064A1 — publié le 19970822

La présente invention concerne une installation de mise en oeuvre d'une flamme, du type comportant un brûleur à gaz, notamment un chalumeau. De nombreuses applications industrielles mettent en oeuvre une flamme nourrie par un gaz combustible, notamment des applications de soudage et d'oxycoupage. La qualité de la flamme et le rendement de celle-ci dépendent du gaz combustible avec lequel le chalumeau est alimenté. Dans les applications d'oxycoupage, l'acétylène permet d'obtenir des temps de préchauffage courts et une coupe rapide du métal. Cependant, ce gaz est d'un prix relativement élevé pour les applications considérées. De plus, l'acétylène stocké en bouteilles est conditionné avec un solvant. Ce dernier risque d'être entraîné avec l'acétylène sortant de la bouteille si le débit de sortie est élevé. Le gaz naturel, constitué essentiellement de méthane, fourni par le réseau collectif de distribution est relativement bon marché. Cependant, le rendement de ce gaz est relativement médiocre. On connaît des gaz faiblement dopés dont les résultats sont médiocres dans le cas de l'alimentation d'une flamme de chauffe. Ces gaz sont par exemple des hydrocarbures dont les gaz dopants ajoutés sont dans une proportion largement inférieure à 5 %. Par ailleurs, des mélanges de gaz, tels que les gaz dénommés "Crylène" (mélange comportant environ 73 % d'éthylène, 22 % d'acétylène et 5 % de propylène), "Tétrène" (mélange de type "MAPP" comportant environ 39% de méthylacétylène et de propadiène, 44 % de propylène et 17 % d'un mélange de butane, propane et leurs dérivés insaturés). Ces gaz sont actuellement commercialisés par L'Air Liquide et permettent d'obtenir une flamme ayant un bon rendement pour un coût d'utilisation acceptable. Ces gaz sont livrés en vrac par camion et stockés sous forme liquide dans des réservoirs permanents, pour les grands consommateurs. Le tétrène peut également être livré et stocké en bouteilles. Ces modes de distribution présentent des inconvénients. Le conditionnement en bouteilles nécessite pour l'utilisateur une bonne gestion du stock de bouteilles et des approvisionnements planifiés. La livraison par camion nécessite également un approvisionnement régulier et impose la présence de réservoirs de grande contenance sur le lieu d'utilisation, ce qui présente des dangers. Dans le cas d'un mélange de gaz soutiré d'un stockage de gaz liquéfié, qu'il s'agisse de bouteille ou de réservoir, la composition du mélange dans le stockage varie au cours du soutirage. En effet, sauf en cas de mélanges sophistiqués tels que le "Crylène" et le "Tétrène", les tensions de vapeur saturante de chaque gaz du mélange étant différentes, la composition du mélange en phase vapeur est différente de celle du mélange en phase liquide. Ceci conduit à une modification progressive de la composition du mélange en sortie du stockage. La présente invention a pour but d'apporter une solution au problème de l'alimentation d'un brûleur en gaz combustible, ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus, et qui permette un fonctionnement du brûleur avec un rendement acceptable pour un coût modéré. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de mise en oeuvre d'une flamme, du type précité, caractérisée en ce qu'elle comporte, en amont dudit brûleur, un mélangeur dont la sortie est reliée à un conduit d'alimentation dudit brûleur en combustible, ce mélangeur comportant une entrée reliée à un réseau collectif d'alimentation en gaz combustible, et une autre entrée reliée à un stockage local de gaz dopant. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'installation peut présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - le réseau collectif d'alimentation en gaz est un réseau d'alimentation en gaz naturel - le mélangeur comporte plusieurs entrées de gaz dopant, reliées à des stockages locaux de gaz dopants différents - le mélangeur comporte des moyens de réglage de la composition du mélange en gaz issu du réseau et en gaz dopant - le ou un gaz dopant est un gaz conditionné en bouteilles, notamment de l'acétylène - le ou un gaz dopant est un gaz conditionné sous forme liquide dans un réservoir - le mélangeur est tel que le ou les gaz dopants ajoutés forment en sortie au moins 10 g du mélange - le ou un gaz dopant est un gaz comportant une chaîne carbonée à liaison multiple, notamment de l'éthylène ou de l'acétylène - le ou un gaz dopant est de l'hydrogène ; et - ledit gaz dopant est du "Crylène" et/ou du "Tétrène - le mélangeur intègre un dispositif à effet venturi permettant d'accroître la pression du mélange à la sortie du mélangeur en utilisant la surpression du gaz dopant L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'une flamme, notamment pour l'oxycoupage, caractérisé en ce que - on prélève un gaz combustible d'un réseau collectif - on prélève un gaz de dopage d'un stockage local ; - on mélange "in situ" les deux gaz dans une proportion prédéterminée ; et - on fait brûler le mélange. Dans le cas de l'oxycoupage, dans un mode de mise en oeuvre de ce procédé, on réduit le débit du gaz dopant, par rapport au débit du gaz du réseau, à l'issue de la phase de préchauffage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation selon l'invention, mettant en oeuvre un unique gaz dopant ; et - la figure 2 est une vue schématique d'une installation selon l'invention, mettant en oeuvre plusieurs gaz dopants différents. L'installation représentée sur la figure 1 comporte essentiellement un brûleur 10, par exemple un chalumeau, et un mélangeur 12, alimenté d'une part par une dérivation du réseau collectif 14 d'alimentation en gaz naturel et d'autre part par un stockage local 16 de gaz dopant. Le chalumeau 10 est par exemple un chalumeau d'oxycoupage, dont les moyens d'alimentation en oxygène ne sont pas représentés. Tel que représenté, une première entrée du mélangeur 12 est reliée par une conduite 18 au réseau collectif d'alimentation 14. Ce réseau assure une alimentation en gaz naturel, essentiellement du méthane, à faible coût. La seconde entrée du mélangeur 12 est reliée aux moyens de stockage 16 par une conduite 20. Les moyens de stockage 16 sont constitués par exemple par une bouteille ou un cadre d'acétylène, ou encore par un réservoir permanent de gaz combustible liquide qui est réapprovisionné périodiquement par camion. Ces moyens de stockage sont prévus sur le site même d'utilisation du chalumeau, par exemple un laboratoire, un chantier, un atelier ou une usine. Le mélangeur 12 comporte en entrée des moyens 18A, 20A de réglage des débits des deux gaz, auxquels sont directement reliées les conduites 18 et 20, respectivement. Ces moyens de réglage de débit sont formés par exemple par des vannes manuelles ou motorisées. Les sorties des moyens de réglage 18A, 20A sont reliées à des moyens de mélange 22 prévus dans le mélangeur 12. Ces moyens de mélange peuvent être formés par la réunion des conduits de sortie des moyens de réglage 18A, 20A en un conduit unique, ou par tout autre moyen approprié plus complexe. La sortie des moyens de mélange 22 est reliée par une conduite 24 à l'alimentation en gaz combustible du chalumeau 10. Le mélangeur 12 assure le mélange du méthane issu du réseau collectif et de l'acétylène issu des moyens de stockage locaux 16. Ainsi, le chalumeau 10 est alimenté en un mélange de gaz combustibles à rendement élevé préparé directement sur le site d'utilisation. Les moyens de réglage 18A et 20A permettent un réglage de la composition du mélange combustible avec lequel est alimenté le chalumeau. Ainsi, l'opérateur peut déterminer la composition du mélange souhaité afin d'obtenir un rendement optimal de la flamme. A cet effet, les moyens de réglage 18A, 20A peuvent etre commandés directement depuis le chalumeau 10 par tout type de moyens de commande à distance non représenté. L'opérateur peut ainsi faire varier la composition du mélange en fonction des différentes phases du travail qu'il est en train d'effectuer. En particulier, dans le cas de l'oxycoupage, la proportion du gaz dopant peut être accrue pendant la phase de préchauffage, puis réduite lors de la phase de coupe. On comprend qu'avec une telle installation, il est possible de profiter des avantages de l'utilisation d'un gaz à fort rendement à un coût modéré et avec une gestion simplifiée. Par ailleurs, les problèmes de stockage de bouteilles ou en réservoir sont partiellement résolus puisque seul le gaz dopant doit être stocké. Ainsi, les dimensions de l'aire de stockage des gaz peuvent être réduites, permettant d'améliorer la sécurité de l'établissement. Sur la figure 2 est représentée une variante de réalisation d'une installation selon l'invention. Comme précédemment, cette installation comporte un chalumeau 40 et un mélangeur 42 dont l'une des entrées est reliée au réseau collectif 44 d'alimentation en gaz naturel. Dans cette variante de réalisation, le mélangeur 42 comporte en plus de l'entrée du gaz naturel, trois entrées distinctes pour des gaz dopants différents. Tel que représenté, trois récipients de stockage de gaz dopants différents 46, 48, 50 sont prévus et sont reliés par des conduites notées respectivement 52, 54 et 56 à trois entrées distinctes du mélangeur 42. Comme précédemment, des moyens de réglage des débits, notés respectivement 52A, 54A et 56A, sont prévus en entrée du mélangeur 42. De même, des moyens de réglage 58 du débit de gaz naturel issu d'un piquage 60 sur le réseau collectif 44 d'alimentation sont prévus pour le gaz naturel. Les sorties des moyens 52A, 54A, 56A, 58 de réglage des débits sont reliées à des moyens de mélange 62, dont la sortie unique est reliée au chalumeau 40 par une conduite souple 64. On conçoit qu'avec une telle installation, il est possible, en fonction des applications du chalumeau de changer la composition du mélange utilisé pour l'alimentation de celui-ci. En particulier, des dopants différents, ou des mélanges de ces dopants, en combinaison avec le gaz naturel issu du réseau 44, peuvent être mis en oeuvre. Comme précédemment, la composition du mélange combustible peut être modifiée manuellement avant l'utilisation ou au cours de l'utilisation du chalumeau. En outre, les moyens de réglage 52A, 54A, 56A et 58 peuvent également être formés par des vannes motorisées commandées par des moyens de pilotage, assurant un réglage automatique de la composition du mélange en fonction d'un programme prédéterminé, prenant en compte par exemple les phases successives d'utilisation du chalumeau 40 dans un procédé de coupe automatisé d'une pièce. On conçoit qu'une telle installation peut être étendue à l'utilisation de plusieurs chalumeaux, en multipliant le nombre des mélangeurs, chacun de ceux-ci étant relié en parallèle sur le réseau collectif d'alimentation en gaz naturel, et sur le ou chaque stockage de gaz dopant. Par ailleurs, le gaz dopant peut être tout autre type de gaz combustible que l'acétylène, par exemple du "Crylène", du "Tétrène" ou plus largement un mélange de type "MAPP". Toutefois, il est intéressant, si le gaz distribué par le réseau est du méthane, d'utiliser un gaz dopant comportant une chaîne carbonée à liaison multiple tel que de l'éthylène ou de l'acétylène. Dans le cadre de l'oxycoupage, un tel mélange permet d'obtenir une flamme carburante qui compense la décarburation locale du métal bordant la saignée. De manière générale, il convient dans une installation telle que décrite précédemment de mélanger un gaz de puissance spécifique faible et/ou à température de flamme basse, fourni par le réseau, avec un ou plusieurs gaz de puissance spécifique élevée et/ou à température de flamme élevée, ajouté en tant que gaz dopant. Deux exemples montrant l'intérêt de l'ajout d'acétylène à du méthane dans des applications de coupage vont maintenant être décrits. Exemple 1 Un premier essai a porté sur l'évolution du temps d'amorçage en pleine tôle pour un chalumeau coupeur en fonction de la proportion d'acétylène dans le mélange d'alimentation. Les essais ont été menés avec un chalumeau "Pyrosaf 400C" muni d'une tête de coupe "Mach 3S" de calibre 10/10. Ce matériel est commercialisé en France par la société SAF (Soudure Autogène Française). Les essais ont porté sur la découpe de tôles préalablement sablées de 20 mm d'épaisseur. Les dimensions des éprouvettes étaient de 100 mm x 100 mm. La pression d'oxygène de coupe a été fixée à 5 bars relatifs et la pureté de l'oxygène de coupe utilisé était supérieure à 99,9 %. Les éprouvettes avant essai étaient à la température ambiante, comprise entre 10 et 15"C. La mesure a porté sur le temps d'amorçage, c'està-dire le temps nécessaire pour amener la tôle à la température de coupe (environ 1300ex) depuis la température ambiante. La température de coupe étant difficile à définir, le temps d'amorçage est défini expérimentalement comme étant le temps de chauffe minimal ayant permis d'obtenir une amorce de coupe de la tôle lors de l'apport d'oxygène de coupe. Pour déterminer le temps d'amorçage, on procède à une série d'essais au cours desquels on chauffe avec un même mélange de gaz des éprouvettes initialement à la température ambiante pendant des périodes de temps différentes. Immédiatement après la chauffe, on fournit chaque fois de l'oxygène de coupe. Le temps d'amorçage est la période de temps minimale ayant donné lieu à un amorçage, ctest-à-dire à un début de combustion de l'éprouvette dans le jet d'oxygène. Les résultats obtenus sont consignés dans le tableau 1 qui suit. La grandeur A correspond au rapport de consommation, c'est-à-dire le débit d'oxygène de chauffe ramené au débit de combustible. TABLEAU I ; 2 Débit Débit Débit A Hauteur Temps Gain de C2H2 CH4 C2H2 O2 buse/tle d'amorçage temps (l/h) (l/h) (I/h) (mm) (sec) (%) 0 300 - 480 1,6 5,5 75 - 5 285 15 473 1,58 5,3 65 13 10 270 30 465 1,55 5 60 20 15 255 45 458 1,53 4,6 55 26 20 240 60 450 1,5 4,3 50 33 25 225 75 443 1,48 4 45 40 On constate que le temps d'amorçage est inversement proportionnel à la teneur en acétylène du mélange. En particulier, un gain de temps de 40 % est constaté pour un mélange composé à 75 t de méthane et à 25 % d'acétylène. Exemple 2 Un second essai a porté sur l'évolution du temps de coupe d'une tige d'acier d'un diamètre de 3,2 mm en fonction de la proportion d'acétylène dans le mélange d'alimentation. Le même matériel que dans l'exemple 1 a été utilisé. Le dard a été chaque fois déplacé tangentiellement à la tige d'acier. Deux séries d'expériences ont été réalisées avec des débits de combustible respectivement égaux à 40 l/h et 60 l/h. Les résultats correspondants ont été consignés respectivement dans les tableaux II et III suivants TABLEAU II Débit Débit Débit A Temps de Gain de C2H2 CH4 C2H2 0z coupe moyen temps (I/h) (l/h) (I/h) (sec) (t) O 40 - 64 1,6 12,3 - 5 38 2 63 1,58 11,2 9 10 36 4 62 1,55 10,9 11 15 34 6 61 1,53 10,8 12 20 32 8 60 1,5 10,2 17 25 1 30 10 59 1,48 9,5 23 TABLEAU III t Débit Débit Débit A Tempos de Gain de CH4 CH4 C2H2 02 coupe moyen temps (l/h) (1/h) (l/h) (sec) (%) o 60 - 96 1,6 9,1 - 5 57 3 94,5 1,58 8,8 3 10 54 6 93 1,55 8,5 7 15 51 9 91,5 1,53 8,2 10 20 48 12 90 1,5 7,3 20 25 45 15 88,5 1,48 7,1 22 Dans les deux cas, on constate une réduction importante du temps de coupe lors d'un ajout d'acétylène. La réduction constatée est de l'ordre de 25 * pour un mélange constitué à 75 % de méthane et à 25 % d'acétylène. Par ailleurs, le gaz dopant peut également être un gaz ne comportant pas d'atome de carbone, de l'hydrogène par exemple. L'hydrogène ajouté au méthane donne des résultats intéressants dans des applications de polissage et de glaçage à la flamme. D'autre part, le mélangeur qu'il comporte une ou plusieurs entrées pour des gaz dopants peut être commandé automatiquement par un dispositif de télécommande adapté commandé par un système de gestion d'une installation de fourniture de gaz, tel que les systèmes "TELEFLO" et "DATAL" proposés par l'Air Liquide. En outre, dans le cas où la pression du gaz issu du réseau collectif d'alimentation est faible, il est possible d'accroître la pression du mélange à la sortie du mélangeur en intégrant à celui-ci un dispositif à effet venturi. Dans ce cas, la surpression du gaz dopant est utilisée pour compenser la faible pression relative du gaz fourni par le réseau. Dans un tel dispositif à effet venturi, le conduit principal dans lequel est acheminé le gaz dopant comporte un tronçon de section réduite sur une faible longueur. Ce tronçon est formé par un convergent suivi d'un divergent. Dans le convergent de ce tronçon de section réduite en considérant le sens de circulation débouche un conduit axial d'alimentation en gaz issu du réseau. La description qui précède fait référence à un réseau collectif de distribution, et en particulier à un réseau communal ou régional de distribution. Bien entendu, l'invention s'applique également à un réseau local propre à une entreprise, à un site industriel, ou encore à un atelier. De plus, le gaz distribué par le réseau peut être différent du méthane. I1 peut être constitué par exemple de propane, de butane, ou de propylène. REVENDICATIONS 1.-, Installation de mise en oeuvre d'une flamme, du type comportant un brûleur à gaz (10 ; 40), notamment un chalumeau, caractérisée en ce qu'elle comporte, en amont dudit brûleur (10 ; 40), un mélangeur (12 ; 42) dont la sortie est reliée à un conduit d'alimentation dudit brûleur en combustible, ce mélangeur comportant une entrée reliée à un réseau collectif (14 ; 44) d'alimentation en gaz combustible et une autre entrée reliée à un stockage (16 ; 46, 48, 50) local de gaz dopant. 2.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau (14 ; 44) collectif d'alimentation en gaz est un réseau d'alimentation en gaz naturel. 3.- Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le mélangeur (42) comporte plusieurs entrées de gaz dopant, reliées à des stockages locaux (46, 48, 50) de gaz dopants différents. 4.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le mélangeur (12 ; 42) comporte des moyens (18A, 20A ; 52A, 54A, 56A, 58) de réglage de la composition du mélange en gaz issu du réseau et en gaz dopant. 5.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou un gaz dopant est un gaz conditionné en bouteilles, notamment de l'acétylène. 6.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou un gaz dopant est un gaz conditionné sous forme liquide dans un réservoir. 7.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le mélangeur (12, 42) est tel que le ou les gaz dopants ajoutés forment en sortie au moins 10 % du mélange. 8.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou un gaz dopant est un gaz comportant une chaîne carbonée à liaison multiple, notamment de l'éthylène ou de l'acétylène. 9.- Installation, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le ou un gaz dopant est de l'hydrogène. 10.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le ou un gaz dopant est du "Crylène" et/ou du "Tétrène". 11.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le mélangeur intègre un dispositif à effet venturi permettant d'accroître la pression du mélange à la sortie du mélangeur en utilisant la surpression du gaz dopant. 12.- Procédé de mise en oeuvre d'une flamme, notamment pour l'oxycoupage, caractérisé en ce que - on prélève un gaz combustible d'un réseau collectif - on prélève un gaz de dopage d'un stockage local - on mélange "in situ" les deux gaz dans une proportion prédéterminée ; et - on fait brûler le mélange. 13.- Procédé selon la revendication 12, pour l'oxycoupage, caractérisé en ce qu'on réduit le débit du gaz dopant, par rapport au débit du gaz du réseau, à l'issue de la phase de préchauffage.