Brevet FR2791416A1 — publié le 20000929

i La présente invention concerne un dispositif d'émission surfacique d'un rayonnement infrarouge, avec combustion catalytique d'un gaz combustible (hydrocarbure gazeux tel que butane ou gaz naturel) avec un gaz comburant, air par exemple, surpressé ou comprimé, ou non. Un tel dispositif peut être mis en oeuvre de manière unitaire, ou de manière groupée ou assemblée avec d'autres dispositifs, par exemple four ou tunnel de séchage, ou dans diverses applications, par exemple séchage, polymérisation d'un revêtement, etc... Par "émission surfacique", on entend une surface émettant en tout point un rayonnement infra-rouge, compris entre 2pm et 10 pm, avec une puissance d'émission calorifique distribuée de manière homogène et régulière selon toute la surface émettrice. Préférentiellement, cette surface est plane, par exemple avec un contour polygonal, notamment rectangulaire. Mais une telle surface peut être convexe ou concave. De manière générale, on connaît déjà un dispositif d'émission surfacique d'un rayonnement infra-rouge, comprenant un foyer de combustion comportant une paroi de combustion catalytique, en matériau réfractaire, perméable selon son épaisseur, et adaptée, par exemple en termes de perte de charge, pour le passage d'un mélange à brûler. Ce dernier, comme dans tout brûleur, consiste en un mélange d'un gaz combustible, par exemple hydrocarbure gazeux, tel que butane ou gaz naturel, et d'un gaz comburant, par exemple air atmosphérique, ledit mélange étant comprimé ou non. Le passage du mélange à brûler s'effectue de la face amont à la face aval de la paroi de combustion catalytique, dont la surface développée interne est revêtue par une matière catalytique de combustion, par exemple un ou plusieurs métaux ou oxydes métalliques ayant la propriété de catalyser l'oxydation des hydrocarbures, par exemple platine et/ou palladium. Ce foyer de combustion comprend une chambre amont, alimentée d'un côté en mélange à brûler, et fermée de l'autre côté par la paroi de combustion catalytique. Pour des dispositifs tels que décrits précédemment, dont la surface d'émission infra-rouge correspondant à la face aval de la paroi de combustion catalytique, est relativement importante, deux difficultés sont en pratique rencontrées. La première concerne le contrôle de la puissance calorifique émise par la paroi de combustion catalytique, en modulant la pression du gaz combustible. En pratique, pour une pression minimum dudit gaz, correspondant à une puissance minimum émise, si la perte de charge générée par le passage du mélange à brûler au travers de la paroi de combustion catalytique est trop faible, la surface interne développée de cette même paroi se refroidit beaucoup trop, ce qui dans certains cas conduit à une désactivation de la matière catalytique. En pareil cas, il faut alors procéder à un réamorçage de la combustion catalytique, pour ramener la paroi de combustion catalytique à sa puissance nominale d'émission. La seconde difficulté concerne le maintien en tous points de la surface d'émission du rayonnement infra-rouge, d'une température suffisamment importante pour maintenir la matière catalytique activée, et donc obtenir une combustion catalytique uniformément repartie sur toute la surface précitée, sans "zone morte", c'est à dire inactive en termes de combustion. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités. Plus précisément, I'invention a pour objet une solution particulièrement (mais non exclusivement) adaptée aux dispositifs présentant une surface relativement importante de rayonnement infra- rouge, permettant de limiter ou d'empêcher l'inactivation de la matière catalytique, d'une part localement, et d'autre part lorsque le dispositif travaille à sa puissance minimum, lorsque cette dernière est contrôlée ou régulée. Conformément à l'invention, le foyer de combustion comprend au moins une paroi d'échange thermique, disposée en amont et en vis à vis de la paroi de combustion catalytique, pour recevoir par sa face aval au moins la majeure partie de la chaleur rayonnée par la face amont de ladite paroi de combustion catalytique, ladite paroi d'échange thermique, en matériau réfractaire, étant également perméable selon son épaisseur, et adaptée pour le passage du mélange à brûler. Grâce à l'invention, de plus, l'énergie thermique de la combustion, non rayonnée par la face aval de la paroi de combustion catalytique, se trouve arrêtée pour une partie portante par la paroi d'échange thermique, et retournée vers la paroi de combustion catalytique, par l'intermédiaire du mélange à brûler, servant de milieu de transfert thermique. Ainsi, on évite de dissiper vers l'amont du dispositif, par rapport au sens de circulation du mélange à brûler, une partie importante de la chaleur non rayonnée à l'extérieur du même dispositif. Cette paroi d'échange thermique permet de réchauffer le mélange à brûler, de la température ambiante ou disponible à l'extérieur du dispositif, à une température proche de celle de la paroi de combustion catalytique. Préférentiellement, le foyer de combustion comprend une paroi complémentaire d'isolation thermique, disposée en amont et en vis à vis de la paroi d'échange thermique, cette paroi d'isolation thermique, elle aussi en matériau réfractaire, étant également perméable selon son épaisseur, et adaptée pour le passage du mélange à brûler. Cette disposition augmente l'isolation thermique relative entre, d'un côté la paroi de combustion catalytique, et de l'autre côté l'amont du dispositif, en évitant ou limitant le phénomène de prise de feu dans la chambre amont dans laquelle circule le mélange à brûler. Préférentiellement, le foyer de combustion comprend une chambre de distribution du mélange à brûler, en amont de la chambre dite amont comme précédemment, selon le sens de circulation du mélange à brûler. Cette chambre de distribution est séparée de la chambre amont par une cloison dans laquelle sont distribués une multiplicité de passages de détente du mélange à brûler. Cette disposition permet en particulier d'obtenir une oxydation ou combustion stoechiométrique, selon pratiquement toute la surface de la face aval de la paroi de combustion catalytique, nonobstant l'importance de cette dernière. La présente invention est maintenant décrite par référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 représente, de manière schématique un dispositif conforme à la présente invention, selon un premier mode d'exécution. - les figures 2 et 3 représentent respectivement deux autres modes d'exécution de la présente invention, toujours de manière schématique. Conformément à la figure 1, un dispositif 1 d'émission surfacique d'un rayonnement infra-rouge, comprend pour l'essentiel un foyer 2 de combustion catalytique, un moyen 32 de formation ou obtention du mélange à brûler, et un boîtier 21 dans lequel le foyer de combustion 2 est disposé au moins pour partie. Le foyer de combustion 2 est organisé et construit autour de trois parois, 3,6 et 8, identiques ou non, ayant par exemple une forme rectangulaire, en matériau réfractaire, perméables selon leur épaisseur, et adaptées chacune pour le passage du mélange à brûler 4, de leur face amont à leur face aval, selon le sens de circulation dudit mélange à brûler. Ces trois parois, 3,6 et 8, sont constituées chacune par une galette de matériau céramique réfractaire, par exemple en cordiérite, traversée de sa face amont à sa face aval, toujours selon le sens de passage du mélange à brûler 4, par une multiplicité de canaux 10 parallèles; à titre d'exemple, il s'agit d'une galette en matériau du type "nid d'abeille", tel que vendu par différents fabricants, comme CORNING sous la dénomination CELCOR, et utilisé par exemple dans les pots de combustion catalytique de gaz d'échappement de moteurs thermiques. De l'amont vers l'aval, par rapport au sens de circulation du mélange à brûler 4, ces parois sont successivement: - une paroi 3 de combustion catalytique du mélange à brûler 4, dont la surface développée interne est revêtue par une matière catalytique de combustion, par exemple un dépôt en mélange de platine et de palladium, sur le matériau réfractaire de ladite paroi 3 de combustion catalytique, par l'intermédiaire ou non d'une couche ou revêtement d'un autre matériau minéral à grande surface développée, par exemple en alumine. - une paroi d'échange thermique 6, disposée en amont et en vis à vis de la paroi 3 de combustion catalytique - et une paroi 8 d'isolation thermique, disposée à distance, en amont et en vis à vis de la paroi d'échange thermique 6. Ces trois parois, 3, 6 et 8, superposées et alignées selon l'axe 4 du dispositif, sont montées transversalement 2 par rapport audit foyer, et précisément par rapport à sa chemise intérieure 16, réfractaire et isolante, par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 17, entre la tranche périphérique de chaque paroi ou galette 3, 6 ou 8, et ladite chemise 16. Le moyen 32 de formation ou obtention du mélange à brûler 4 comprend de manière traditionnelle: - un injecteur 33 d'un gaz combustible sous pression permettant d'obtenir un jet 30 dudit gaz combustible - un organe 34 de type venturi, permettant d'admixer l'air atmosphérique 31 au jet 30 de gaz combustible, pour obtenir le mélange à brûler 4, amené par un conduit 20 dans la chambre de distribution 1 2 décrite ci-après. Le foyer de combustion 2 est disposé au moins pour partie, sinon en totalité, dans un boîtier 21, ménageant au moins une fenêtre 22 au regard de la face aval 3b de la paroi 3 de combustion catalytique, au travers de laquelle le rayonnement infra-rouge est émis à partir de la face aval 3b de la paroi 3. Le boîtier 21 comprend un corps 18 fermé par un couvercle 19, monté en regard d'une cloison 13, parallèle aux parois 6, 8 et 10, elles- mêmes parallèles entre elles. Une multiplicité de passages 15 de détente du mélange à brûler 4 sont disposés dans cette cloison 13, séparant d'un côté, c'est à dire du côté amont, une chambre 12 de distribution du mélange à brûler 4, et de l'autre côté, c'est à dire du côté aval, une chambre dite amont 5, par rapport à la paroi 3 de combustion catalytique, toujours selon le sens de circulation du mélange à brûler 4. La chambre amont 5 est alimentée d'un côté, à partir de la cloison 13 de détente, en mélange à brûler, et est fermée de l'autre côté par la paroi 3 de combustion catalytique. La paroi d'échange thermique 6, disposée en amont et en vis à vis de la paroi 3 de combustion catalytique, reçoit en fonctionnement par sa face aval 6b au moins la majeure partie de la chaleur rayonnée par la face amont 3a de la paroi 3 de combustion catalytique, au travers de laquelle circule le mélange à brûler, et au sein de laquelle s'effectue la combustion catalytique dudit mélange. Cette paroi 6 d'échange thermique est disposée seulement dans la chambre amont 5, et détermine avec la paroi 3 de combustion catalytique un interstice 7 intercalaire, séparé du reste de la chambre amont 5 par cette paroi d'échange thermique 6. La paroi d'isolation thermique 8 est disposée en amont et en vis à vis de la paroi 6 d'échange thermique, toujours transversalement dans la chambre amont 5, pour déterminer avec la paroi 6 un interstice intermédiaire 9, séparé du reste de la chambre amont 5 par cette paroi d'isolation thermique 8. Un diffuseur 11 du mélange à brûler 4 est disposé transversalement dans l'interstice intermédiaire 9. Ce diffuseur comprend une feuille perméable au mélange à brûler, en matériau réfractaire, par exemple papier ou mousse céramique. La paroi d'isolation thermique 8 et le diffuseur 11 peuvent être un seul et même composant, par exemple une paroi en mousse céramique, accolée ou non à la paroi 6 d'échange thermique. Comme le montre bien la figure 1, la paroi 6 d'échange thermique et la paroi 8 d'isolation thermique ont pratiquement la même surface que la surface aval 3b, rayonnante de la paroi 3 de combustion catalytique, c'est à dire que la surface utile de cette dernière. La paroi 6 d'échange thermique a le cas échéant une épaisseur supérieure à celle des parois 3 et 8, en fonction du degré de réchauffement recherché pour le mélange à brûler, avant sa combustion ou oxydation catalytique. Conformément aux figures 2 et 3, le dispositif 1 d'émission surfacique d'un rayonnement infra-rouge, se distingue du dispositif décrit par référence à la figure 1, en ce que une vitre 23 en matériau céramique et transparent ferme, de manière étanche, la fenêtre 22 du boîtier 21, au regard de la face aval 3b de la paroi 3 de combustion catalytique. Ce boîtier 21 avec sa fenêtre fermée par la vitre 23 ménage avec le foyer de combustion 2 un circuit 24 d'évacuation des gaz brûlés, sortant par la face aval 3b de la paroi 3 de combustion catalytique. Conformément au mode d'exécution de la figure 2, le boîtier 21 comporte un chemisage extérieur 27, en matériau isolant et réfractaire, ménageant avec la chemise 16 du foyer de combustion 2, un interstice annulaire dans lequel les gaz brûlés 25 circulent à contre courant du sens de passage du mélange à brûler 4. Un carter 28 est superposé au boîtier 21, en ménageant une chambre 29 de collection des gaz brûlés 25, en étant espacé du capot 19. Dans cette chambre de collection 29, les gaz brûlés 25 échangent leur chaleur avec le mélange à brûler 4, introduit dans la chambre de distribution 12. Conformément au mode d'exécution de la figure 3, et par différence avec celui de la figure 2, il n'y a plus d'échange de chaleur entre les gaz brûlés 25 et le mélange à brûler 4. Le circuit 24 d'évacuation des gaz brûlés est agencé pour évacuer ces derniers transversalement par rapport à la direction de passage du mélange à brûler 4, à travers un passage dans le chemisage réfractaire 27, communiquant d'un côté avec l'interstice annulaire 24 entre chemise 16 et chemisage 27, et l'extérieur. REVENDICATIONS 1 - Dispositif (1) d'émission surfacique d'un rayonnement infrarouge, comprenant un foyer de combustion (2) comportant une paroi (3) en matériau réfractaire, perméable selon son épaisseur, adaptée pour le passage d'un mélange à brûler (4) (gaz combustible (30) plus gaz comburant (31), par exemple air), de sa face amont (3a) à sa face aval (3b), et dont la surface développée interne est revêtue par une matière catalytique de combustion, et une chambre amont (5) alimentée d'un coté en mélange à brûler et fermée de l'autre côté par la paroi de combustion catalytique, caractérisé en ce que ledit foyer de combustion (2) comprend au moins une paroi d'échange thermique (6), disposée en amont et en vis à vis de la paroi (3) de combustion catalytique, pour recevoir par sa face aval (6b) au moins la majeure partie de la chaleur rayonnée par la face amont (3a) de ladite paroi de combustion catalytique, ladite paroi d'échange thermique en matériau réfractaire, étant également perméable selon son épaisseur et adaptée pour le passage du mélange à brûler (4). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (6) d'échange thermique est disposée transversalement dans la chambre amont (5) et détermine avec la paroi (3) de combustion catalytique une interstice (7) intercalaire, séparé du reste de la chambre amont par ladite paroi d'échange thermique. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit foyer de combustion (2) comprend une paroi (8) d'isolation thermique disposée en amont et en vis à vis de la paroi d'échange thermique (6), ladite paroi d'isolation thermique, en matériau réfractaire, étant également perméable selon son épaisseur et adaptée pour le passage du mélange à brûler (4). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi d'isolation thermique (8) est disposée transversalement dans la chambre amont (5), et détermine avec la paroi d'échange thermique (6) interstice intermédiaire (9) séparé du reste de la chambre amont par ladite paroi d'isolation thermique. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (3) de combustion catalytique est constituée par une galette de matériau céramique réfractaire, traversée de sa face amont (3a)à sa face aval (3b), selon le sens de passage du mélange (4) à brûler, par une multiplicité de canaux (10) parallèles, par exemple par une galette d'un matériau du type "nid d'abeille". 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (6) d'échange thermique est constituée par une galette de matériau céramique réfractaire, traversée de sa face amont (6a) à sa face aval (6b), selon le sens de passage du mélange (4) à brûler, par une multiplicité de canaux (10) parallèles, par exemple par une galette d'un matériau du type "nid d'abeille". 7 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi (8) d'isolation thermique est constituée par une galette de matériau céramique réfractaire, traversée de sa face amont à sa face aval, selon le sens de passage du mélange (4) à brûler, par une multiplicité de canaux (10) parallèles, par exemple par une galette d'un matériau du type "nid d'abeille". 8 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un diffuseur (11) du mélange à brûler est disposé transversalement dans l'interstice intermédiaire (9). 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le diffuseur (11) comprend une feuille perméable au mélange à brûler, en matériau réfractaire, par exemple céramique. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (6) d'échange thermique a pratiquement la même surface que la surface aval (3b) rayonnante de la paroi (3) de combustion catalytique. 11 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le foyer (2) de combustion comprend une chambre (12) de distribution du mélange à brûler, en amont de la chambre amont (5), selon le sens de circulation du mélange à brûler (4), séparée de la chambre amont par une cloison (13) dans laquelle sont distribués une multiplicité de passages (15) de détente du mélange à brûler (4).