Brevet FR2841969A1 — publié le 20040109

PROFILE CREUX EN ACIER POUR CHAMBRES DE COMBUSTION La présente invention concerne un profilé creux en acier à partir duquel des parois à refroidissement par eau, en particulier de chambres de combustion coniques pour gaz de combustion poussiéreux, peuvent être construites. Le but de l'invention est de créer un profilé creux en acier ressemblant à un tube à partir duquel on peut construire en particulier des chambres de combustion coniques dotées de parois à refroidissement par eau et qui possède les caractéristiques suivantes: 1. convient pour les densités de flux thermique allant jusqu'à 400 kW/m2 de l'irradiation des gaz de combustion, 2. une surface plate orientée vers le côté des gaz de combustion pour éviter les dépôts de poussière, 3. lors d'une sollicitation de 400 kW/M2, une différence de température de moins de 100 C entre l'endroit le plus chaud et l'endroit le plus froid du profilé, 4. une section transversale d'écoulement pour l'eau suffisante pour un rapport voie d'eau: génération de vapeur plus grand que 12, en relation avec une densité de flux thermique de 400 kW/m2 et une longueur de profilé de 6 m (les profilés creux en acier de formes spéciales sont fabriqués dans un procédé de presse à filer dans des longueurs standard de 6 m), 5. une forme géométrique du profilé creux en acier telle qu'une conicité de la chambre de combustion, c'està-dire un rapport entre le plus grand et le plus petit diamètres d'un tronc de cône est possible jusqu'à 2,50. (Ainsi, par exemple, la conicité de systèmes de fours à combustion Dr Schoppe est de 1,80 à 2,10). Dans les chambres de combustion à refroidissement par eau, par exemple dans le cas de chaudières à vapeur à tubes à eau, on utilise couramment des parois appelées membranaires qui sont composées de tubes parallèles la plupart du temps avec des diamètres allant de 50 mm à ,3 mm, un fer méplat de par exemple environ 25 à 40 mm étant soudé entre chacun d'eux en tant que passerelle, du milieu d'un tube à l'autre milieu d'un tube. Une construction de ce type supporte certes des densités élevées de flux thermique, mais possède cependant une surface ondulée sur laquelle de la poussière difficile à enlever se dépose sur les côtés de la chambre de combustion. En outre, la conicité (rapport entre le diamètre le plus grand et celui le plus petit) qui peut être atteinte est au maximum d'environ 1,20 à 1,30, ce qui n'est pas suffisant pour créer un four de type décrit en introduction. La fabrication de chambres de combustion symétriques en rotation au moyen de la construction tubulaire mentionnée est également très compliquée. On a également essayé de diminuer les ondulations de la surface du côté de la chambre de combustion, plus exactement du côté des gaz de combustion, en n'étendant pas la passerelle soudée entre les deux tubes du milieu d'un tube vers l'autre milieu d'un tube, comme cela se fait d'habitude, mais en la mettant en place plus loin tournée vers le côté des gaz de combustion. Les ondulations de la surface du côté des gaz de combustion sont certes moins prononcées, mais le flux thermique sortant de la passerelle vers le tube n'est pas aussi bon. Une telle construction permet donc des densités de flux thermique faibles et réduit encore plus la conicité. Egalement, on connaît déjà du document DE 195 27 885 Ai des profilés pour des segments de parois de chaudière qui, dans leurs sections transversales ressemblent, à un gros signe oméga, toutefois dans la formation fermée de l'arc d'oméga, et pour cette raison sont appelés "profilés oméga". Ils permettent bien d'obtenir une surface plate du côté de la chambre de combustion, mais les densités de flux thermique tolérées et la conicité qui peut être obtenue sont encore plus faibles. Les densités de flux thermique pour ces profilés sont également limitées à 100 à 150 kW/m2 parce qu'un passage étroit présent pour le flux de chaleur qui peut provoquer une surchauffe localisée à cet endroit, existe entre les passerelles latéralement à distance et le tube de conduite d'eau au niveau duquel les passerelles sont posées. On connaît du document US 1 732 514 un profilé ressemblant à un profilé oméga d'un segment de paroi de chaudière qui est composé d'un tube et d'une plaque en fer soudée sur celui-ci. Le tube est de préférence un tube sans soudure tandis que la plaque peut être composée de fonte. Selon l'enseignement de ce document, la liaison t 2841969 par soudure et la plaque sont formées de telle sorte que plus de 900, cependant moins de 1800, de la circonférence du tube sont recouverts en partant des joints de soudures et/ou de la plaque, c'est-à-dire que plus de 1800 de la circonférence du tube restent libres. On veut ainsi éviter que le tube ne devienne trop chaud. C'est pour cette raison que dans un mode de réalisation, il est prévu que des éléments en forme de plaques ou de blocs en matériau réfractaire sont encastrés dans la plaque. Le but de l'invention est de fournir un profilé creux en acier à partir duquel des chambres de combustion, en particulier coniques, avec des parois à refroidissement par eau peuvent être fabriquées, qui conviennent pour des densités élevées de flux thermique, ont une surface plate du côté des gaz de combustion et présentent une conicité élevée. Ce but est atteint par le fait que le profilé creux a une forme essentiellement rectangulaire dans sa section transversale avec un canal de conduite d'eau disposé essentiellement au milieu qui présente les dimensions suivantes: Largeur a = 120 mm à 180 mm Hauteur c = 52 mm à 74 mm Diamètre du canal de conduite d'eau d = 34 mm à 50 mm, et par le fait que, en relation avec une densité de flux thermique de l'irradiation provenant de la chambre de combustion de 400 kW/m2 et à une longueur de profilé de 6 m, la section transversale du canal de conduite d'eau est suffisante pour un rapport entre le débit d'eau et la quantité d'eau évaporée d'au moins 12. Des réalisations avantageuses de l'invention sont les suivantes: - Le profilé creux en acier possède les dimensions suivantes: a = 146 mm, c = 64 mm, d = 41 mm. - Le côté du profilé creux exposé à l'irradiation thermique est courbe de manière concave dans sa section transversale avec un rayon de courbure R qui se situe entre 500 mm et 1 500 mm. - Le rayon de courbure s'élève à R = 1 333 mm. - Le côté orienté dans le sens opposé à l'irradiation thermique est courbe de manière convexe dans sa section transversale. - La section transversale du profilé creux dans la zone orientée vers la chambre de combustion a la forme d'un trapèze et à ceci, une zone triangulaire aux angles arrondis dans sa section transversale s'adjoint au côté orienté dans le sens opposé à la chambre de combustion, zone dont l'apex est arrondi, moyennant quoi le canal de conduite d'eau se situe au milieu entre l'apex arrondi et la surface orientée vers la chambre de combustion. - Dans le cas d'une divergence du diamètre du canal de conduite d'eau de d = 41 mm dans la zone de diamètre situé entre 34 mm et 50 mm, toutes les autres dimensions dans leurs sections transversales sont modifiées linéairement de façon correspondante. En outre, l'invention indique une chambre de combustion conique avec une surface essentiellement plate à l'intérieur, composée d'une pluralité d'éléments de profilés creux en acier à coins arrondis disposés les uns à côté des autres, qui présentent chacun à l'intérieur un canal de conduite d'eau qui est relié à un système de conduites d'eau, dans laquelle les éléments de profilés creux en acier sont tels que définis précédemment et qui sont maintenus ensemble par une construction extérieure en forme d'anneau. Un autre exemple est une chambre de combustion à double cône avec une surface essentiellement plane à l'intérieur, composée d'un four s'élargissant en cône à partir d'une extrémité, et d'une buse d'accélération se rétrécissant en forme de cône qui s'adjoint au gros diamètre dudit four, qui sont constitués chacun d'une pluralité d'éléments de profilés creux en acier aux coins arrondis disposés les uns à côté des autres qui présentent chacun à l'intérieur un canal de conduite d'eau relié à un système de conduites d'eau, moyennant quoi les éléments de profilés creux en acier sont tels que définis précédemment qui sont maintenus ensemble par une construction extérieure en forme d'anneau et qui sont équipés de directrices d'air à l'extrémité libre du four et d'une ouverture de sortie à l'extrémité libre de la buse d'accélération. L'invention crée un profilé creux en acier pour la construction d'une chambre de combustion conique qui convient pour des densités de flux thermique allant jusqu'à 400 kW/m2 de l'irradiation des gaz de combustion. Grâce à la surface plate du côté orienté vers les gaz de combustion, les dépôts de poussière peuvent être en grande partie évités. Lors d'une sollicitation de 400 kW/M2, la différence de température entre l'endroit le plus chaud et le plus froid de l'élément profilé creux selon l'invention peut être amenée jusqu'à moins de 1000 C, et, ce qui est particulièrement important, on peut obtenir une conicité de la chambre de combustion allant jusqu'à 2,5 à l'aide du profilé creux selon l'invention. Pour ce faire, les profilés creux doivent simplement être taillés de façon correspondante sur leurs bords latéraux. Le profilé creux en acier selon l'invention possède essentiellement une section transversale rectangulaire, cependant la section transversale peut être modifiée sans perte de rigidité dans le but d'économiser les matériaux en lui donnant une forme de trapèze dans une partie orientée dans le sens de la chambre de combustion à laquelle un triangle à angles arrondis s'adjoint du côté orienté dans le sens opposé à la chambre de combustion. Dans la section transversale formée par le trapèze et le triangle, un canal de conduite d'eau est réalisé de préférence au milieu. Le côté du profilé creux en acier orienté vers la chambre de combustion est de préférence courbe de manière concave dans sa section transversale, ce qui permet d'éviter une formation d'ombres et les dépôts de poussière à l'intérieur de la chambre de combustion. Sur le côté orienté dans le sens opposé à la chambre de combustion, l'apex émoussé du triangle peut être arrondi de manière convexe afin de réduire encore plus le poids. Avec le profilé creux selon l'invention, le tube de conduite d'eau à travers lequel l'eau à chauffer s'écoule est entièrement inséré dans le matériau de la paroi du profilé creux. Grâce à la forme particulière du profilé creux, telle qu'elle a été créée par l'invention, une transition intensive de la chaleur dans l'élément de refroidissement par la circonférence totale de celui-ci est assurée dans le tube sans provoquer de surchauffes localisées. Pour la transition de la chaleur, le matériau est partout présent de façon suffisante pour que la chaleur puisse s'écouler également vers le côté arrière du tube. Cette circonstance permet des densités de flux thermique élevés pour l'objet de la demande, en comparaison avec l'état de la technique. L'invention va être décrite plus en détails cidessous en prenant comme référence les exemples de réalisation représentés sur les dessins. Sont représentés: sur la figure 1, une vue de la section transversale d'un profilé creux en acier selon l'invention; sur la figure 2, une représentation d'une coupe longitudinale du profil selon la figure 1 prise le long de la ligne II-II; sur la figure 3, une vue en élévation du profilé creux en acier selon une forme en cône arrondi préparé pour la construction d'une chambre de combustion conique; sur la figure 4, une chambre de combustion conique fabriquée à partir d'éléments de profilés creux selon les figures précédentes, vue en coupe; sur la figure 5, une vue dans le grand diamètre de la chambre de combustion de la figure 4, en partie en coupe; et sur la figure 6, une coupe longitudinale d'un four de combustion à double cône (chambre de combustion) composé d'un four et d'une buse d'accélération. On reconnaît sur la figure 1 un profilé en acier désigné globalement par 1, vue en coupe transversale, qui présente sur le dessin une partie "inférieure" qui a essentiellement une forme de trapèze et qui est courbe de manière concave selon un rayon R au niveau de son côté inférieur 2 qui pendant l'utilisation est orienté vers la chambre de combustion. Une partie triangulaire supérieure aux angles arrondis s'adjoint à la partie inférieure, l'apex ayant un angle arrondi de manière convexe selon un rayon r. Un canal de conduite d'eau 3 dont la section transversale forme un cercle est réalisé dans le profilé 1, centré sur une ligne médiane qui s'étend entre l'apex arrondi et le côté inférieur 2. Pour le profilé creux ainsi formé, on peut prendre comme matériaux les aciers profilés pour chaudière courants, pour les pressions plus faibles, on peut également prendre d'autres matériaux courants. Comme mentionné, le côté inférieur 2 légèrement courbe selon le rayon R est tourné vers les gaz de combustion et permet la construction d'une surface intérieure suffisamment plate pour les écoulements turbulents à l'intérieur d'une chambre de combustion conique. Pour la zone typique du diamètre de la chambre de combustion allant de 1 000 à 3 000 mm, les dimensions suivantes de la section transversale du profilé creux sont optimales: Largeur a = 146 mm Hauteur de la hauteur totale de la partie en trapèze c = 64 mm Diamètre du canal d = 41 mm Rayon d'arrondissement à l'apex r = 36 mm Rayon de courbure sur le côté inférieur R = 1 333 mm Angle des flancs du trapèze à = 150. Pour la construction d'une chambre de combustion en forme de tronc de cône d'une longueur de 3 050 mm dans laquelle les profilés creux de la figure 1 ont une longueur de construction de 2 250 mm, et qui se rétrécit d'un diamètre de 2 484 mm vers un diamètre de 1 468 mm, les baguettes du profilé creux, conformément à la figure 3, se rétrécissent de la largeur mentionnée ci-dessus de a = 146 mm vers une largeur de 88,69 mm, ce qui est réalisé par l'adaptation correspondante par éjection de copeaux des flancs des baguettes de profilé creux. Le profilé selon la figure 1 correspond à peu près au flux thermique de l'irradiation sur le côté inférieur incurvé 2 en direction du canal d'alimentation d'eau 3. Dans le cas d'une irradiation thermique de 400 kW/M2, d'une longueur du profilé creux de 6 m (les baguettes de profilés sont en général disponibles sur le marché dans ces longueurs) et d'une vitesse d'entrée d'eau de 1,20 m/s, le débit d'eau est environ 15 fois plus important que la quantité d'eau évaporée, il y a donc une sécurité suffisamment élevée contre la surchauffe. Le profilé creux peut être agrandi ou réduit géométriquement de manière similaire. Etant donné que le débit d'eau dépend des dimensions et se fait de manière rectangulaire, que cependant l'éclairage énergétique thermique se fait linéairement selon ces dimensions, une réduction mène rapidement à la limite inférieure autorisée du rapport entre le débit d'eau et l'évaporation qui se situe à 12. Un agrandissement mène à des voies de flux de chaleur plus longs. Lorsque les dimensions augmentent, le point A qui se situe au bord de la surface d'éclairage 2 du profilé creux 1 (voir figure 1) devient proportionnellement de plus en plus chaud. Dans des conditions normales s'appliquant aux chaudières industrielles, les limites raisonnables pour la plus grande largeur a des profilés creux est de 120 mm minimum et de 180 mm maximum. Toutes les autres dimensions en découlent de manière linéaire. Les contours extérieurs du profilé creux 1 peuvent être simplifiés jusqu'à atteindre le cas limite d'un rectangle. Le fonctionnement n'en est pas affecté, mais les cots en matériaux sont sensiblement plus élevés. La construction en est sensiblement plus lourde, sans en tirer un quelconque avantage. La figure 4 représente en coupe axiale une chambre de combustion conique, qui est construite selon les figures 1 à 3 à partir de profilés creux découpés sur mesure. On reconnaît sur la figure 4 un profilé creux 1 représenté en coupe qui possède une forme à coins arrondis conformément à la figure 3, et une pluralité de profilés creux semblables à lui situés les uns à côté des autres entourent une chambre de combustion globalement en forme de tronc de cône. Les profilé creux 1 sont rattachés ensemble à un collecteur annulaire 4 inférieur et à un collecteur annulaire 4 supérieur qui servent pour l'alimentation et l'évacuation de l'eau et de vapeur iodée ou d'autres agents de refroidissement. Les profilés creux 1 sont maintenus ensemble par une construction en forme d'anneau 6. Dans l'exemple représenté, la chambre de combustion est une chambre de combustion secondaire et le diamètre le plus petit du tronc de cône représente la section transversale de la sortie. Les conduits 7 et 8 reconnaissables sur le dessin, dans la zone desquels les profilés creux sont percés, sont un conduit de remplissage 7 pour le combustible en morceaux pour alimenter une grille de combustion ici non représentée, et sur laquelle la chambre de combustion secondaire selon la figure 4 est posée, et un conduit d'allumage de combustion 8 à travers lequel le combustible situé sur la grille de combustion est allumé au moyen d'une lance de combustion lors de la mise en marche. La figure 5 représente une vue dans le grand diamètre de la chambre de combustion de la figure 4. On reconnaît dans celle-ci très clairement la forme aux coins arrondis des profilés creux 1, ses liaisons avec les collecteurs annulaires 4 et 5 et les deux conduits 7 et 8. Une autre utilisation du profilé creux en acier selon l'invention est représentée sur la figure 6. Il s'agit d'un four de combustion à refroidissement par eau pour les hautes pressions d'eau, par exemple pour les chaudières à vapeur industrielles. Des pressions de 80 à bar y sont généralement présentes ainsi que des densités de flux thermique allant jusqu'à 400 kW/m2. Cette construction ne peut pas être exécutée dans l'état de la technique actuel pour les raisons évoquées précédemment. Avec l'invention, elle est à présent possible. Le four de combustion est composé des éléments suivants: - Entrée d'air de combustion 31 - Chambre de collection 32 Directrices 33 - Four conique 34 - Buse d'accélération pour les flammes 35 - Lance de poussière de charbon 36 - Cloche de déviation de la lance 37 Ouverture de sortie 38 Pour des combustibles autres que sous forme poussières, d'autres dispositifs d'alimentation combustible selon l'état de la technique doivent être en place. Les conicités du four 34 et de la} d'accélération pour les flammes 35 sont tellei importantes que ces composants ne peuvent être constri qu'avec les profilés creux en acier selon l'invention. de en mis buse nent uits fi REVENDICATIONS 1. Profilé creux en acier pour la construction d'une chambre de combustion conique qui présente un canal s'étendant dans la direction longitudinale pour l'adduction d'eau et une surface essentiellement plate au moins sur le côté délimitant la chambre de combustion, caractérisé en ce que le profilé creux (1) a une forme essentiellement rectangulaire dans sa section transversale avec un canal de conduite d'eau disposé essentiellement au milieu qui présente les dimensions suivantes: Largeur a = 120 mm à 180 mm Hauteur c = 52 mm à 74 mm Diamètre du canal de conduite d'eau d = 34 mm à mm, et en ce que, en relation avec une densité de flux thermique de l'irradiation provenant de la chambre de combustion de 400 kW/m2 et à une longueur de profilé de 6 m, la section transversale du canal de conduite d'eau (3) est suffisante pour un rapport entre le débit d'eau et la quantité d'eau évaporée d'au moins 12. 2. Profilé creux en acier selon la revendication 1, caractérisé par les dimensions suivantes: a = 146 mm, c = 64 mm, d = 41 mm. 3. Profilé creux en acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le côté (2) exposé à l'irradiation thermique est courbe de manière concave dans sa section transversale avec un rayon de courbure R qui se situe entre 500 mm et 1 500 mm. 4. Profilé creux en acier selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rayon de courbure s'élève à R = 1 333 mm. 5. Profilé creux en acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le côté orienté dans le sens opposé à l'irradiation thermique est courbe de manière convexe dans sa section transversale. 6. Profilé creux en acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa section transversale dans la zone orientée vers la chambre de combustion a la forme d'un trapèze et à ceci, une zone triangulaire aux angles arrondis dans sa section transversale s'adjoint au côté orienté dans le sens opposé à la chambre de combustion, zone dont l'apex est arrondi, moyennant quoi le canal de conduite d'eau (3) se situe au milieu entre l'apex arrondi et la surface (2) orientée vers la chambre de combustion. 7. Profilé creux en acier selon l'une des revendications 2, 4 et 6, caractérisé en ce que dans le cas d'une divergence du diamètre du canal de conduite d'eau (3) de d = 41 mm dans la zone de diamètre situé entre 34 mm et 50 mm, toutes les autres dimensions dans leurs sections transversales sont modifiées linéairement de façon correspondante. 8. Chambre de combustion conique avec une surface essentiellement plate à l'intérieur, composée d'une pluralité d'éléments (1) de profilés creux en acier à coins arrondis disposés les uns à côté des autres, qui présentent chacun à l'intérieur un canal de conduite d'eau (3) qui est relié à un système de conduites d'eau (4, 5), caractérisée en ce que les éléments (1) de profilés creux en acier sont tels que définis dans l'une des revendications précédentes et qui sont maintenus ensemble par une construction extérieure en forme d'anneau (6). 9. Chambre de combustion à double cône avec une surface essentiellement plane à l'intérieur, composée d'un four (34) s'élargissant en cône à partir d'une extrémité, et d'une buse d'accélération (35) se rétrécissant en forme de cône qui s'adjoint au gros diamètre dudit four, qui sont constitués chacun d'une pluralité d'éléments (1) de profilés creux en acier aux coins arrondis disposés les uns à côté des autres qui présentent chacun à l'intérieur un canal de conduite d'eau (3) relié à un système de conduites d'eau (4, 5), moyennant quoi les éléments (1) de profilés creux en acier sont tels que définis dans l'une des revendications 1 à 7 qui sont maintenus ensemble par une construction (6) extérieure en forme d'anneau et qui sont équipés de directrices d'air (33) à l'extrémité libre du four (34) et d'une ouverture de sortie (38) à l'extrémité libre de la buse d'accélération (35).