Brevet FR2814796A1 — publié le 20020405

L'invention concerne les brûleurs tri-tubes adaptés pour produire une flamme à partir d'une injection centrale et d'une injection périphérique annulaire de comburant, et d'une injection annulaire de combustible entre l'injection centrale et l'injection périphérique annulaire de comburant, ainsi qu'un procédé d'injection de combustible et de comburant par un tel brûleur. Des brûleurs tri-tubes sont utilisés notamment dans des fours à verre, et peuvent l'être également dans des fours à métaux, à la place des brûleurs bi-tubes, en vue de pouvoir contrôler l'atmosphère dans le four, augmenter l'impulsion de la flamme, ajuster la longueur de cette dernière en fonction de la géométrie du four (par exemple dans le cas de fours étroits), et modifier sa luminosité et notamment son spectre d'émission en fonction du type de matériau à élaborer dans le four, par exemple du type de verre. A l'heure actuelle, la majorité des brûleurs à oxygène utilisés dans les fours à verre sont des brûleurs bi-tubes, dont le corps est équipé d'organes d'alimentation en comburant et d'organes d'alimentation en com- bustible. Le remplacement des brûleurs bi-tubes par des brûleurs tritubes en vue d'obtenir les avantages mentionnés plus haut est problématique, car il devient alors nécessaire de gérer trois courants de fluide, ce qui augmente I'encombrement, et le nombre des conduits d'alimentation, et ainsi implique l'apport de modifications notables à l'installation destinée à alimenter le brû- leur en fluides. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cette fin un [ici, sera insérée la revendication 1, sans ses références numé- riques]. Grâce à cet agencement, lors du remplacement d'un brûleur bi- tubes par un brûleur tri-tubes, I'installation d'alimentation en fluides peut être ré-utilisée telle quelle, sans modification, et il est en outre possible de régler avec précision la répartition du comburant entre les deux tubes d'amenée de celui-ci. Le brûleur peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristi- ques suivantes: - [ici, seront insérées les caractéristiques des revendications ratta- chées à la revendication 1, sans leurs références numériques]. L'invention concerne également un [ici, sera insérée la première re- vendication de procédé, sans ses références numériques]. Le procédé peut en outre présenter les caractéristiques suivantes: - [ici, seront insérées les caractéristiques des revendications ratta- chées à la première revendication de procédé, sans leurs références numé- riques]. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'une forme de réalisation de cette invention donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique de profil d'un brûleur tri-tubes conventionnel, - la figure 2 est une vue extérieure de profil d'un brûleur tri-tubes selon l'invention, - la figure 3 est une coupe schématique du brûleur tri-tubes de la figure 2, par un plan 111-111 perpendiculaire au plan de projection de cette fi- gure 2, et - la figure 4 est une coupe schématique du brûleur des figures 2 et 3, par un plan IV-IV perpendiculaire à son axe central longitudinal. Sur les figures, on a représenté schématiquement un brûleur Br dont une région d'extrémité est logée dans un ouvreau d'un bloc ouvreau Bo d'un four par exemple à verre. Plus précisément, sur la figure 1, sont montrés schématiquement la région d'extrémité d'un brûleur tri-tubes conventionnel logée dans l'ouvreau pour y produire une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four, et la région d'extrémité opposée du brûleur en saillie hors de l'ouvreau extérieurement au four par laquelle le brûleur est alimenté en combustible et en comburant. Ce brûleur tri-tubes présente une structure générale coaxiale et comporte un tube central 1 d'amenée de comburant, un tube 2 d'amenée de combustible entourant le tube central et dont l'espace de circulation du com- bustible s'étend annulairement autour de ce tube central, et un troisième tube 3, extérieur, d'amenée de comburant, entourant le tube 2 d'amenée de combustible et dont l'espace de circulation du comburant s'étend annulaire- ment autour de ce tube d'amenée de combustible. Les extrémités des trois tubes débouchant dans l'ouvreau sont prolongées chacune par une buse d'injection. Les trois tubes 1, 2, 3 du brûleur tri-tubes conventionnel ne commu- niquent pas entre eux et sont alimentés séparément, chacun comportant un orifice d'entrée et étant équipé d'un court conduit d'entrée 4, 5, 6 débou- chant dans cet orifice et relié soit à une alimentation en comburant, pour le tube central 1 et le tube extérieur 3, soit à une alimentation en combustible, pour le tube intermédiaire 2; chacun des conduits d'entrée 4, 5, 6 s'étend approximativement radialement par rapport à l'axe longitudinal central du brûleur autour duquel s'étendent les trois tubes. Il faut donc gérer trois fluides, le brûleur est relativement volumi- neux, il est nécessaire d'utiliser trois flexibles d'alimentation, et les longueurs de tuyauterie à utiliser sont importantes. Le brûleur tri-tubes selon l'invention (figures 2 à 4), monté dans l'ouvreau comme le brûleur tri-tubes conventionnel, présente comme lui une structure générale coaxiale et comporte un tube central 1 d'amenée de comburant, un tube 2 d'amenée de combustible entourant le tube central et dont l'espace de circulation du combustible s'étend annulairement autour du tube central, et un troisième tube 3, extérieur, d'amenée de comburant, en- tourant le tube 2 d'amenée de combustible et dont l'espace de circulation du comburant s'étend annulairement autour de ce tube d'amenée de combusti- ble, les extrémités des trois tubes débouchant dans l'ouvreau étant prolon- gées chacune par une buse d'injection. Ainsi, on fait circuler et on injecte le combustible dans l'ouvreau de manière annulaire autour d'un premier cou- rant, central, de comburant, et à l'intérieur d'un deuxième courant, annulaire du même comburant. Cependant, contrairement au brûleur tri-tubes conventionnel, les deux tubes 1, 3 d'amenée de comburant du brûleur selon l'invention com- muniquent l'un avec l'autre par leur extrémité opposée à la buse d'injection, le tube central 1 ayant cette extrémité opposée ouverte, à distance de l'extrémité correspondante fermée du tube extérieur 3. Le tube extérieur 3 d'amenée de comburant comporte, à proximité de cette extrémité fermée, un orifice d'entrée 31, et est équipé d'un court conduit d'entrée 6 débouchant dans cet orifice et adapté pour être relié à une alimentation en comburant, ce conduit d'entrée 6 s'étendant approxima- tivement radialement par rapport à l'axe longitudinal central du brûleur; ain- si, le conduit d'entrée 6 pour l'alimentation en comburant est en communica- tion à la fois avec le tube extérieur 3 et le tube central 1 dont l'extrémité ou- verte est en aval du conduit 6 si l'on se réfère au sens d'écoulement du comburant dans le brûleur. La région d'extrémité du tube 2 d'amenée de combustible opposée à la buse d'injection, qui est elle-même située en aval de l'extrémité ouverte du tube central 1 si l'on se réfère au sens d'écoulement du comburant, est logée dans un fourreau 7 annulaire dont la surface intérieure est ajustée sur une partie aval de sa longueur autour du tube intermédiaire 2, et sur une autre partie (amont) de sa longueur autour du tube central 1 d'amenée de comburant; ces deux parties de la surface intérieure du fourreau sont re- liées par un épaulement constituant un fond annulaire fermé pour le tube intermédiaire 2; le tube extérieur 3 comportant deux tronçons alignés s'étendant respectivement de part et d'autre du fourreau 7, la surface exté- rieure du fourreau comporte une région centrale cylindrique insérée entre ces deux tronçons et deux régions d'extrémité cylindriques de plus petit diamètre ajustées et insérées dans les extrémités en vis-à-vis de ces deux tronçons du tube extérieur. Le tube intermédiaire 2 d'amenée de combustible et le tube extérieur 3 d'amenée de comburant comportent en vis-à-vis des orifices respectifs de passage de combustible reliés par un canal 71 d'amenée de combustible (figure 4) creusé et s'étendant radialement dans le fourreau 7. L'orifice de passage de combustible du tube extérieur est équipé d'un court conduit d'entrée 5 adapté pour être relié à une alimentation en combustible; ainsi, ce conduit d'entrée 5 pour l'alimentation en combustible est en communica- tion à travers le fourreau 7 avec le tube intermédiaire 2 d'amenée de com- bustible. Le fourreau 7 étant en aval du conduit d'entrée 6 de comburant, il est creusé longitudinalement de deux canaux 72, 73 parallèles à l'axe longi- tudinal central du brûleur, destinés à permettre l'écoulement du comburant en direction de la buse duF tube extérieur 3; ces deux canaux longitudinaux 72, 73 sont centrés sur le diamètre du fourreau 7 qui est perpendiculaire au rayon le long duquel s'étend le canal 71 d'amenée de combustible, respecti- vement de part et d'autre de l'axe longitudinal central du brûleur, approxima- tivement symétriquement. Le fourreau est en outre creusé de deux canaux de forme générale cylindrique le traversant radialement de sa surface intérieure à sa surface extérieure, le long du diamètre sur lequel sont centrés les deux canaux lon- gitudinaux 72, 73, de manière que de chaque côté du fourreau 7 par rapport à l'axe longitudinal central du brûleur, un canal longitudinal 72, 73 débouche dans un canal radial. L'un des deux canaux radiaux sert de logement à un bouchon inter- changeable 8 ajusté dans ce canal, présentant un perçage 81 de petit dia- mètre parallèle à l'axe longitudinal central du brûleur pour assurer une com- munication entre les parties amont et aval du canal longitudinal 72. Ce per- çage 81 est calibré comme on le verra dans la suite, et l'interchangeabilité des bouchons 8 permet de choisir le bouchon présentant le perçage de cali- bre désiré. L'autre canal radial sert de boisseau à une clé de vanne pivotante 9 ajustée dans ce canal de telle manière que le fourreau 7 forme corps de vanne; cette clé de vanne 9 présente un perçage 91 de diamètre notable- ment plus grand que celui des perçages 81 des bouchons interchangeables 8 et est mobile en pivotement autour de l'axe longitudinal du canal radial entre une position dans laquelle le perçage 91 est parallèle à l'axe longitudi- nal central du brûleur (figure 3) pour assurer une communication entre les parties amont et aval du canal longitudinal 72 et ainsi entre les deux tron- çons du tube extérieur 3, et une position dans laquelle le perçage 91 est or- thogonal à cet axe du brûleur et n'assure pas une telle communication. La clé 9 présente dans le canal radial une forme extérieure de révolution, et comporte hors du canal, extérieurement au tube extérieur du brûleur, un or- gane de manoeuvre 92 permettant son actionnement en pivotement de ma- nière manuelle, ou un organe d'entraînement relié à un dispositif de motori- sation permettant son actionnement en pivotement de manière motorisée, par exemple régulée ou asservie. Sur le plan pratique, le bouchon interchangeable 8 peut présenter, également intérieurement au canal radial, une forme générale cylindrique, et, comporter hors du canal, une bride 82 de fixation par vis au fourreau. La clé de vanne 9 peut présenter également intérieurement au canal radial, une forme générale cylindrique, et comporter hors du canal, une tige 93 à laquelle est fixé par vis l'organe de manoeuvre constitué par une ailette 92, le cylindre intérieur au canal radial et la tige 93 étant reliés par une gorge annulaire servant de logement aux branches latérales d'une plaquette de butée en U 94 fixée au fourreau 7 par une ou plusieurs vis 95 de fixation de la clé, vissées dans le fourreau 7 autour du canal radial et s'étendant paral- lèlement à celui-ci. Pour la fixation du brûleur Br dans l'ouvreau creusé dans un bloc ré- fractaire Bo intégré dans la paroi du four, ce bloc-ouvreau Bo est équipé d'un support 10 de brûleur comportant une plaque d'ancrage 101 fixée à lui et qui est appliquée contre sa face extérieure au four. La plaque d'ancrage 101 comporte, en vis-à-vis de l'orifice de l'ouvreau débouchant à l'extérieur du four, une ouverture par laquelle le brûleur est inséré dans l'ouvreau de telle manière que, comme on l'a vu, sa région d'extrémité munie de buses d'injection produise une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four, et sa région d'extrémité opposée par laquelle il est adapté pour être alimenté en combustible et en comburant soit en saillie hors de l'ouvreau extérieurement au four. Le support 10 de brûleur est muni, respectivement de part et d'autre de l'ouverture pour le brûleur de la plaque d'ancrage 101, de deux dispositifs de fixation comportant chacun une chape 102 dont les branches portent un pivot 103 autour duquel est articulée une tige filetée 104 portant un écrou de serrage 105. Pour coopérer avec ces dispositifs de fixation, le brûleur comporte une bride de fixation 32 s'étendant dans un plan perpendiculaire à son axe longitudinal central et qui est fixée, par exemple soudée ou brasée, au tube extérieur 3. Deux bords opposés de cette bride 32 comportent respective- ment deux échancrures dans lesquelles pénètrent les deux tiges filetées ar- ticulées 104 du support 100 quand elles s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal central du brûleur, et contre le pourtour desquelles on peut blo- quer les écrous de serrage 105 pour fixer le brûleur au bloc ouvreau; pour pouvoir retirer le brûleur de l'ouvreau, il suffit de desserrer les écrous 105 et de basculer les tiges filetées 104 de telle manière qu'elles se dégagent de l'emprise des échancrures de la bride 32. Lorsque, le brûleur étant fixé dans l'ouvreau, I'entrée 6 de combu- rant est en communication avec une alimentation en comburant, il suffit de tourner la clé 9 de la vanne pour modifier la répartition du comburant entre les tubes central 1 et extérieur 3 d'amenée de comburant et régler cette ré- partition de la manière désirée. Plus précisément, le perçage calibré 81 du bouchon interchangeable 8 détermine le débit minimal dans le tube extérieur 3 d'amenée de comburant lorsque la vanne de réglage est fermée (perçage 91 de la clé 9 approximativement orthogonal à l'axe longitudinal central du brûleur) et l'on obtient alors le débit maximal dans le tube central 1 d'amenée de comburant. Au fur et à mesure que l'on ouvre la vanne, c'està- dire que le perçage 91 de la clé 9 est amené en alignement avec le canal 73 du fourreau 7, la perte de charge diminuant dans le tube extérieur 3, le débit augmente dans celui-ci jusqu'à une valeur maximale, et diminue dans le tube central 1 jusqu'à une valeur minimale. La gestion de la perte de charge dans le tube extérieur 3 permet donc le réglage de la répartition du combu- rant entre les deux tubes 1, 3 d'amenée de comburant. On a ainsi la possibilité de régler continûment la répartition du com- burant entre les tubes 1, 3 montés en dérivation l'un par rapport à l'autre, et, en particulier lorsque la vanne est motorisée, on peut agir sur celle-ci à tout moment pour réguler la répartition ou pour l'asservir en fonction des besoins. L'interchangeabilité du bouchon 8 permet d'élargir la gamme de dé- bits de comburant, dans la mesure o l'on possède une gamme de bou- chons 8 ayant des perçages 81 de différentes sections. REVENDICATIONS 1. Brûleur tri-tubes pour four, adapté pour être solidarisé à un ou- vreau de four de telle manière qu'au moins une région d'extrémité du brûleur (Br) soit logée dans l'ouvreau pour y produire une flamme s'étendant en sail- lie dans l'espace intérieur du four, brûleur caractérisé en ce qu'il comporte une entrée (5) pour un combustible et un tube (2) d'amenée de combustible relié à cette entrée de combustible, une entrée (6) pour un comburant et deux tubes (1, 3) d'amenée de comburant reliés à cette entrée de combu- rant, et une vanne de réglage (7, 9) pour régler la répartition du comburant entre les deux tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un tube (1) d'amenée de comburant et le tube (2) d'amenée de combustible sont logés dans un autre tube (3) d'amenée de comburant. 3. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que les tubes (1, 2, 3) d'amenée sont disposés coaxialement l'un autour de l'autre, sur au moins une partie de leur longueur. 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que la vanne de réglage (7, 9) est logée dans le brûleur, en étant insérée dans un tube (3) d'amenée de comburant. 5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que la vanne de réglage (7, 9) est une vanne à boisseau. 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'il comporte un tube (1) d'amenée de comburant comportant une extrémité d'entrée de comburant ouverte à l'intérieur d'un autre tube (3) d'amenée de comburant. 7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce qu'il comporte, disposés coaxialement sur au moins une partie de leur longueur, un tube central (1) d'amenée de comburant, un tube (2) d'amenée de combustible définissant un espace annulaire de circulation de combustible autour du tube central, un tube extérieur (3) d'amenée de com- burant définissant un espace annulaire de circulation de comburant autour du tube d'amenée de combustible, et un fourreau (7) annulaire inséré dans l'espace annulaire de circulation de comburant entre le tube (2) d'amenée de combustible et le tube extérieur (3) d'amenée de comburant, en aval d'une extrémité du tube central (1) ouverte dans le tube extérieur et égale- ment en aval du conduit (6) d'entrée pour le comburant, ce fourreau (7) comportant d'une part un canal (73) permettant l'écoulement du comburant en direction de l'ouvreau et d'autre part un organe mobile (9) coopérant avec lui pour former une vanne de réglage (7, 9). 8. Brûleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le four- reau (7) comporte un canal dans lequel est logé un bouchon (8) présentant un perçage calibré (81) permettant un écoulement de comburant en direction de l'ouvreau avec un débit minimal prédéterminé. 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, carac- térisé en ce que le fourreau (7) comporte un canal formant boisseau de vanne dans lequel est logée une clé de vanne pivotante (9) présentant un perçage (91) traversant et mobile d'une position dans laquelle le perçage traversant (91) autorise un débit de comburant maximal à travers la vanne et ainsi un débit minimal à travers le tube central (1), à une position dans la- quelle le perçage traversant (91) interdit tout débit de comburant à travers la vanne et ainsi provoque un débit maximal à travers le tube central (1). 10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, carac- térisé en ce que la vanne comporte un organe de manceuvre (92) permettant son actionnement en pivotement de manière manuelle. 11. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ca- ractérisé en ce que la vanne comporte un organe d'entraînement adapté pour être relié à un dispositif de motorisation. 12. Procédé d'injection de combustible et de comburant dans un ou- vreau de four au moyen d'un brûleur (Br) pour produire une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four, caractérisé en ce que l'on introduit dans le brûleur un comburant par une première entrée (6) et un combustible par une deuxième entrée (5), et on fait circuler le comburant issu de la première entrée vers l'ouvreau à travers au moins deux tubes (1, 3) d'amenée de comburant montés en dérivation l'un par rapport à l'autre, tandis que l'on fait circuler le combustible issu de la deuxième entrée vers l'ouvreau à travers un autre tube (2), d'amenée de combustible. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on règle continûment la répartition du comburant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, ca- ractérisé en ce que l'on règle manuellement la répartition du comburant en- tre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, ca- ractérisé en ce que l'on règle de manière motorisée la répartition du combu- rant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'on régule ou on asservit la répartition du comburant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, ca- ractérisé en ce que l'on fait circuler et l'on injecte le combustible dans I'ouvreau de manière annulaire autour d'un premier courant, central, de comburant, et à l'intérieur d'un deuxième courant, annulaire, du même com- burant.