Brevet FR2935776A1 — publié le 20100312

RECUPERATEUR POUR BRULEUR À TUBE RADIANT. L'invention est relative à un récupérateur pour brûleur à tube radiant, ce dernier comportant une conduite de brûleur et une conduite d'échappement, 5 le brûleur étant placé en entrée de la conduite de brûleur, le récupérateur étant disposé en sortie de la conduite d'échappement. Les brûleurs à tube radiant à récupération utilisent la recirculation de fumées dans l'air de combustion pour réduire les émissions de NOx. La réduction au minimum de la formation des oxydes d'azote to pendant la combustion est devenue une condition indispensable dans de nombreuses applications des organes de chauffage par combustion, des chaudières, des générateurs de vapeur à combustible liquide et analogues. Cette condition s'applique aussi aux fours de traitement thermique et à d'autres applications qui nécessitent des brûleurs à tube radiant comme sources de 1s chaleur. Diverses formes de combustion étagées et de plus faibles températures de flamme ont été utilisées avec des brûleurs classiques pour réduire les émissions de NOx. Pour réduire la production d'oxyde d'azote, FR 2 780 770 propose un 20 récupérateur pour brûleurs à tube radiant du genre de ceux qui comprennent : ù une enveloppe tubulaire placée à l'intérieur de la conduite d'échappement de manière sensiblement coaxiale pour déterminer un premier espace annulaire pour l'échappement d'une partie des produits de combustion qui s'écoule autour de l'enveloppe tubulaire, 25 - un tube de mélange disposé de manière sensiblement coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire pour définir un second espace annulaire, compris entre le tube de mélange et l'enveloppe tubulaire, dans lequel l'air de combustion circule à contre-courant des produits de combustion s'écoulant dans le premier espace annulaire, et est préchauffé, 30 - l'air de combustion préchauffé étant dirigé vers un embout placé à l'extrémité du récupérateur du côté de l'arrivée des produits de combustion, lequel embout définit au moins un trajet pour inverser le sens d'écoulement de l'air de combustion et le diriger vers une entrée dans le tube de mélange suivant la direction sensiblement axiale, et comporte au moins un conduit pour permettre 35 le passage d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange. Selon un exemple de réalisation, des organes directeurs sont placés à l'entrée du conduit pour faciliter l'écoulement des produits de combustion en les dirigeant vers l'intérieur du tube de mélange. La solution proposée par FR 2 780 770 n'est pas pleinement satisfaisante car elle ne permet pas d'entraîner, dans l'air de combustion, un débit de produits de combustion aussi élevé que souhaité pour une réduction 5 efficace des émissions de NOx. L'invention a pour but, surtout, de fournir un récupérateur pour brûleur à tube radiant qui permet une meilleure recirculation des fumées dans l'air de combustion et une diminution sensible des émissions de NOx. Selon l'invention, un récupérateur pour brûleur à tube radiant, ce 10 dernier comportant une conduite de brûleur et une conduite d'échappement, le brûleur étant placé en entrée de la conduite de brûleur, le récupérateur étant disposé en sortie de la conduite d'échappement, et étant du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que le, ou chaque, conduit de l'embout, pour le passage des produits de combustion, s'ouvre directement sur la face du 15 récupérateur tournée vers l'amont de la conduite d'échappement, et est orienté de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur. Avantageusement, l'entrée d'air dans le tube de mélange comporte un prolongement tubulaire de section transversale décroissante, faisant saillie 20 dans le tube de mélange du côté opposé à l'embout. L'augmentation de la vitesse de l'air de combustion créée par ce prolongement tubulaire formant injecteur entraîne une aspiration d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange. De préférence, le récupérateur comporte plusieurs conduits pour les 25 produits de combustion, répartis angulairement autour de l'entrée d'air, disposée au centre. Les conduits pour les produits de combustion peuvent avoir un angle d'inclinaison avec l'axe longitudinal du tube de mélange compris entre 0 et 45°, limites incluses. 30 Chaque conduit pour le passage des produits de combustion vers le tube de mélange définit un chemin direct qui entraîne peu de pertes de charge. Ce conduit est situé, pour l'essentiel, radialement à l'intérieur du contour du tube de mélange. L'enveloppe tubulaire peut être formée par une juxtaposition de 35 couronnes à section transversale munie de nervures sur des faces orthogonales à l'axe des couronnes ; les nervures sont propres à venir en appui les unes contre les autres, et l'assemblage des couronnes définit des ailettes radiales en saillie aussi bien sur la surface extérieure que sur la surface intérieure de l'enveloppe. Selon un premier exemple de réalisation, l'embout est formé par une sorte de tambour creux limité par deux parois planes essentiellement orthogonales à l'axe du récupérateur, la paroi du tambour tournée vers l'aval comportant des orifices en communication avec le deuxième espace annulaire pour l'air de combustion, cette même paroi comportant un orifice central s'ouvrant vers le tube de mélange pour l'entrée de l'air de combustion dans ce tube de mélange, l'autre paroi amont du tambour comportant les ouvertures pour les conduits des produits de combustion, ces conduits traversant le ~o tambour parallèlement à l'axe du récupérateur et débouchant dans le tube de mélange, radialement à l'intérieur de ce tube. Trois conduits peuvent être prévus, avec une section transversale arquée. Selon un autre exemple de réalisation, l'embout comprend une partie cylindrique appliquée contre l'extrémité de l'enveloppe tubulaire, cette partie 15 étant prolongée en amont par une paroi recourbée radialement vers l'intérieur pour former un entonnoir qui se raccorde au tube de mélange ; l'entonnoir comporte dans sa partie centrale le prolongement tubulaire formant injecteur pour l'air de combustion, ce prolongement étant supporté par des manchons orientés radialement mettant en communication le deuxième espace annulaire 20 et l'intérieur du prolongement tubulaire ; ce prolongement est fermé, du côté amont, par une ogive. Une partie des produits de combustion s'écoule à l'intérieur de l'entonnoir, autour du prolongement tubulaire, vers le tube de mélange. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- 25 dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma simplifié, avec parties arrachées, d'un brûleur à 30 tube radiant équipé d'un récupérateur selon l'invention. Fig. 2 est une coupe axiale à plus grande échelle de l'extrémité amont d'un récupérateur selon l'invention. Fig. 3 est une vue partielle en coupe en perspective de l'embout de Fig. 2, vue du côté amont. 35 Fig. 4 est une vue en perspective, avec parties coupées, d'un second exemple de réalisation de récupérateur selon l'invention. Fig. 5 est une vue en perspective, en coupe axiale par un plan vertical, du récupérateur de Fig. 4. Fig. 6 est une vue en coupe axiale, à plus grande échelle, de l'extrémité amont du récupérateur de Fig. 5, et Fig. 7 est une vue en perspective, depuis l'amont, de l'embout de Fig. 6, en demi-coupe axiale verticale, sans son ogive amont. En se reportant aux dessins, notamment à Fig. 1, on peut voir un brûleur B à tube radiant T. Le tube T comporte une conduite de brûleur Tb à l'entrée de laquelle est installé le brûleur B. Le tube T traverse une paroi P d'un four, s'étend dans la chambre du four, et ressort à travers la paroi par une conduite d'échappement 1. Le brûleur B est alimenté en combustible par une to conduite Bc. La flamme du brûleur B se développe dans le tube radiant T et les gaz de combustion parcourent ce tube pour assurer le chauffage du four. Les gaz sont dirigés, dans le tube T, vers la conduite d'échappement 1. Un récupérateur de chaleur R est disposé en sortie de la conduite d'échappement 1. Le récupérateur R comprend une enveloppe tubulaire 3 15 placée à l'intérieur de la conduite d'échappement 1 de manière sensiblement coaxiale pour déterminer un premier espace annulaire 2 pour l'échappement d'une partie des produits de combustion qui s'écoule autour de l'enveloppe tubulaire 3, suivant le sens de la flèche F. L'enveloppe 3 (Fig.2) peut être constituée par une juxtaposition de 20 couronnes élémentaires 3a, coaxiales à la conduite 1, et présentant une section droite avec deux faces planes orthogonales à l'axe géométrique de la conduite 1, la liaison entre les couronnes étant réalisée par une soudure étanche entre les nervures circulaires 3b, 3c. Dans l'espace annulaire 2, la partie de la section 3a faisant saillie radialement par rapport aux nervures 3b, 25 3c, forme une sorte d'ailette 3d favorisant les échanges thermiques avec les produits de combustion qui s'écoulent suivant le sens de la flèche F dans cet espace 2. Les termes � amont � et � aval � utilisés dans la description et les revendications sont à comprendre selon le sens d'écoulement illustré par la 30 flèche F. L'espace 2 est relié en partie aval, située sur la gauche selon Fig. 2, à un orifice S (Fig.1) d'évacuation des produits de combustion, par exemple vers une cheminée. Un tube de mélange 5 est disposé de manière sensiblement coaxiale 35 à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire 3 pour définir un second espace annulaire 4 compris entre la surface extérieure du tube 5 et la surface intérieure de l'enveloppe 3. L'air de combustion circule dans l'espace 4 suivant la direction des flèches A, à contre-courant des produits de combustion s'écoulant dans le premier espace annulaire 2. L'air est ainsi préchauffé à travers la paroi de l'enveloppe 3. Les parties 3e en saillie vers l'intérieur de l'enveloppe 3, par rapport aux nervures 3b, 3c constituent l'équivalent d'ailettes favorisant le transfert de chaleur entre l'enveloppe 3 et l'air de combustion passant dans l'espace 4. L'espace ou passage annulaire 4 est relié à son extrémité aval, située sur la gauche selon Fig. 2, à une entrée d'air de combustion E (Fig. 1). L'air de combustion préchauffé, s'écoulant dans l'espace 4, est dirigé vers un embout 6 placé à l'extrémité du récupérateur R située du côté de l'arrivée des produits de combustion, c'est-à-dire l'extrémité située sur la droite ~o selon Fig. 2. Selon l'exemple de réalisation des Fig. 2 et 3, l'embout 6 est formé par un tambour creux avec deux parois planes d'extrémité 6a, 6b orthogonales à l'axe du tambour et une paroi périphérique cylindrique 6c d'une seule pièce avec la paroi 6a. La paroi amont 6b est appliquée, de manière étanche, contre 15 le bord de la paroi périphérique 6c. La paroi aval 6a comporte une ouverture centrale 6d, coaxiale au tube 5, munie d'un prolongement tubulaire 8, de section transversale décroissante, faisant saillie dans le tube de mélange 5 du côté opposé à l'embout 6. Le prolongement 8, de préférence tronconique, constitue un injecteur provoquant l'augmentation de la vitesse de l'air de 20 combustion qui le traverse. La paroi 6a est appliquée de manière suffisamment étanche contre les extrémités de l'enveloppe tubulaire 3 et du tube 5 de mélange. La paroi 6a comporte, dans la zone annulaire comprise entre le contour intérieur de l'enveloppe 3 et le contour extérieur du tube 5 au moins un orifice 7, et de 25 préférence plusieurs orifices 7, répartis angulairement suivant la circonférence, mettant en communication l'espace annulaire 4 et le volume intérieur de l'embout 6. Les orifices 7 peuvent avoir une forme arquée, centrée sur l'axe géométrique de l'embout. L'air de combustion, qui arrive suivant le sens des flèches A, traverse 30 les orifices 7, change de direction d'écoulement suivant les flèches Al, sensiblement de 90°, pour se diriger radialement vers l'intérieur de l'embout 6 et, après un nouveau changement de direction sensiblement à 90°, s'écoule dans le tube de mélange 5 suivant la flèche A2. L'embout 6 définit ainsi un trajet qui inverse le sens d'écoulement de l'air de combustion et le dirige vers le tube 35 de mélange 5. L'angle de chacun des deux changements de direction peut varier selon les modes de réalisation avec par exemple un premier angle à 80° et un second à 100°, la somme des deux angles étant sensiblement égale à 180°. L'embout 6 comporte au moins un conduit 9, et de préférence plusieurs conduits, par exemple quatre conduits 9 répartis à 90° suivant la circonférence, qui s'ouvrent directement sur la face 6b de l'embout tournée vers l'amont de la conduite d'échappement 1. Les conduits 9 débouchent également sur la face aval 6a dans le tube de mélange 5. Les conduits 9 sont orientés de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur R, comme illustré par les flèches H. Avantageusement, les conduits 9 sont cylindriques avec génératrices parallèles à l'axe géométrique de l'embout 6. La section transversale des io orifices 9 peut correspondre à un contour arqué de ligne moyenne centrée sur l'axe géométrique de l'embout 6. Les conduits 9 débouchent dans le tube de mélange 5 dans une zone comprise radialement entre, d'une part, le contour intérieur du tube 5 et, d'autre part, le contour extérieur de l'injecteur 8 et de l'ouverture centrale 6d. 1s L'air de combustion sortant de l'injecteur 8 à une vitesse relativement élevée crée un effet d'aspiration des produits de combustion et favorise le mélange avec ces produits. L'embout 6, placé à l'extrémité amont du récupérateur R permet : - l'écoulement de l'air de combustion préchauffé, en provenance du passage 20 annulaire 4, vers l'intérieur du tube de mélange 5 à travers les orifices 7 et l'injecteur 8, avec inversion du sens d'écoulement ; - l'écoulement d'une partie des produits de combustion 10 vers l'intérieur du tube de mélange 5. L'ouverture des conduits 9 se trouvant directement en face amont de 25 l'embout 6 permet un écoulement des produits de combustion 10 principalement parallèlement à l'axe du récupérateur. Cette configuration présente l'avantage de permettre d'aspirer une proportion importante des produits de combustion 10 qui poursuivent leur trajet dans l'axe du tube de mélange 5 en traversant l'embout 6. 30 Le chemin suivi par les produits de combustion 10 entraîne des pertes de charge réduites autorisant un niveau supérieur du taux de recirculation des produits de combustion. En se reportant aux Fig. 4-7, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un récupérateur de chaleur selon l'invention. Les éléments 35 identiques ou semblables à des éléments déjà décrits précédemment sont désignés par les mêmes références et leur description ne sera pas reprise ou ne sera effectuée que succinctement. Sur Fig. 4, il apparaît que le récupérateur R comporte un corps 11 cylindrique coaxial à la conduite d'échappement 1 reliée à ce corps. L'entrée d'air de combustion E présente un axe géométrique horizontal orthogonal à l'axe du corps 11. La sortie S du solde des produits de combustion présente un axe géométrique vertical et est orientée vers le bas tandis que la sortie M du mélange constitué de l'air de combustion et d'une partie des produits de combustion est diamétralement opposée à la sortie S. L'entrée E et les sorties S et M sont munies d'une collerette formant bride de raccordement à une canalisation. Comme visible sur Fig. 5, le corps 11 comporte des cloisons io intérieures séparant différentes zones qui communiquent avec l'entrée E et les sorties S et M. L'entrée E, non visible sur Fig.5, communique avec une chambre intérieure déterminée par une cloison cylindrique 12 présentant un fond transversal 12a traversé de manière suffisamment étanche par le tube de mélange 5 qui se prolonge en aval au-delà du fond 12a. Un capuchon 13 de 15 forme globalement cylindrique, coaxial au tube 5, est fixé sur une bride du corps 11 pour coiffer l'extrémité aval du tube 5. L'espace annulaire compris entre la surface extérieure du tube 5 et la surface intérieure du capuchon 13 communique avec l'orifice M de sortie du mélange d'air de combustion et de produits de combustion. Le sens d'écoulement de ce mélange est inversé de 20 180° à la sortie du tube 5 pour se diriger vers la sortie M. L'embout 6 (Fig.6) comporte une partie cylindrique 14 de même diamètre que les nervures 3c de l'enveloppe 3. Cette partie 14 est appliquée de manière suffisamment étanche contre la nervure 3c de l'extrémité amont de l'enveloppe 3. L'extrémité amont de la partie cylindrique 14 est munie d'une 25 sorte d'entonnoir 15 dont le bord périphérique amont 15a est recourbé à 180°. La paroi de l'entonnoir 15 forme une jupe sensiblement tronconique à partir du bord recourbé 15a et assure un raccordement entre le bord amont de la partie14 et le tube de mélange 5 de plus petit diamètre. Le prolongement tubulaire 8 formant injecteur, en saillie dans le 30 tube 5, est coaxial à l'entonnoir 15 dont il est rendu solidaire par des manchons 16, orientés radialement et débouchant vers l'extérieur dans l'espace 4 et, vers l'intérieur, dans le tube 8 par des ouvertures 17 de forme allongée et dont la largeur diminue de l'amont vers l'aval. Le prolongement tubulaire 8 est fermé, du côté amont, par une ogive 18 qui dirige les produits de combustion 10 vers 35 les conduits 9 compris entre la surface interne de l'entonnoir 15 et la surface externe de l'élément tubulaire 8. Sur Fig.7 on peut voir une partie de l'embout 6, depuis l'amont. Le fonctionnement du récupérateur des Fig. 4 à 7 est semblable à celui décrit pour les Fig.2 et 3. Comme illustré sur Fig. 6, l'air de combustion circule à contre- courant dans l'espace annulaire 4, pénètre dans la partie cylindrique 14 puis s'écoule par les ouvertures 17 dans l'élément tubulaire 8 et est injecté dans le 5 tube 5. Les produits de combustion 10 passent pour partie dans l'espace annulaire 2 vers la sortie S et, pour une autre partie, directement dans les conduits 9, avec un minimum de pertes de charge pour se mélanger dans le tube 5 avec l'air de combustion. Dans l'exemple de Fig.6, l'embout 6 comprend to trois manchons 16 disposés à 120°. L'écoulement des produits de combustion dans les conduits 9 peut être incliné d'un certain angle vers l'axe central du récupérateur, c'est-à-dire que l'entrée amont des conduits 9 se trouve alors plus éloignée radialement de l'axe central (axe géométrique du tube 5) que la sortie aval des conduits 9. Cet ts angle d'inclinaison est avantageusement compris entre 0 et 45°. Le rétrécissement de section à l'extrémité de l'injecteur 8 entraîne une augmentation de la vitesse de l'air qui provoque l'apparition d'une différence de pression entre l'intérieur du tube de mélange 5 et la conduite d'échappement 1, avec aspiration des produits de combustion 10 directement 20 vers le tube de mélange 5 par l'intermédiaire du ou des conduits 9. Selon l'invention, l'air de combustion circule dans la section annulaire 4 dans le sens opposé aux produits de combustion circulant dans la section 2 et améliore de ce fait les échanges thermiques entre les deux fluides et le profil de température du récupérateur, en diminuant les écarts de 25 température entre une extrémité et l'extrémité opposée. REVENDICATIONS1. Récupérateur pour brûleur à tube radiant, ce dernier comportant une conduite de brûleur (Tb) et une conduite d'échappement (1), le brûleur étant 5 placé en entrée de la conduite de brûleur, le récupérateur étant disposé en sortie de la conduite d'échappement, comprenant : û une enveloppe tubulaire (3) placée à l'intérieur de la conduite d'échappement (1) de manière sensiblement coaxiale pour déterminer un premier espace annulaire (2) pour l'échappement d'une partie des produits de combustion qui ~o s'écoule autour de l'enveloppe tubulaire, - un tube de mélange (5) disposé de manière sensiblement coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire (3) pour définir un second espace annulaire (4), compris entre le tube de mélange (5) et l'enveloppe tubulaire (3), dans lequel l'air de combustion circule à contre-courant des produits de combustion ts s'écoulant dans le premier espace annulaire (2), et est préchauffé, - l'air de combustion préchauffé étant dirigé vers un embout (6) placé à l'extrémité du récupérateur du côté de l'arrivée des produits de combustion, lequel embout définit au moins un trajet pour inverser le sens d'écoulement de l'air de combustion et le diriger vers une entrée dans le tube de mélange (5) 20 suivant la direction sensiblement axiale, et comporte au moins un conduit (9) pour permettre le passage d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange, caractérisé en ce que le ou chaque conduit (9) de l'embout, pour le passage des produits de combustion, s'ouvre directement sur la face (6b) du 25 récupérateur (6) tournée vers l'amont de la conduite d'échappement, et est orienté de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur. 2. Récupérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée d'air 30 dans le tube de mélange (5) comporte un prolongement tubulaire (8) de section transversale décroissante, faisant saillie dans le tube de mélange du côté opposé à l'embout. 3. Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le 35 récupérateur comporte plusieurs conduits (9) pour les produits de combustion, répartis angulairement autour de l'entrée d'air (6d), disposée au centre. 4. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes,lo caractérisé en ce que les conduits (9) pour les produits de combustion ont un angle d'inclinaison avec l'axe longitudinal du tube de mélange compris entre 0 et 45°, limites incluses. 5. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque conduit (9) pour le passage des produits de combustion vers le tube de mélange (5) définit un chemin direct qui entraîne peu de pertes de charge. ~0 6. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque conduit (9) pour le passage des produits de combustion est situé, pour l'essentiel, radialement à l'intérieur du contour du tube de mélange. 15 7. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire comporte des ailettes radiales en saillie aussi bien sur la surface extérieure que sur la surface intérieure de l'enveloppe. 20 8. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embout (6) est formé par une sorte de tambour creux limité par deux parois planes (6a, 6b) essentiellement orthogonales à l'axe du récupérateur, la paroi du tambour (6a) tournée vers l'aval comportant des orifices (7) en communication avec le deuxième espace annulaire pour l'air de 25 combustion, cette même paroi comportant un orifice central (6d) s'ouvrant vers le tube de mélange (5) pour l'entrée de l'air de combustion dans ce tube de mélange, l'autre paroi amont (6b) du tambour comportant les ouvertures pour les conduits (9) des produits de combustion, ces conduits (9) traversant le tambour parallèlement à l'axe du récupérateur et débouchant dans le tube de 30 mélange (5), radialement à l'intérieur de ce tube. 9. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'embout (6) comprend une partie cylindrique (14) appliquée contre l'extrémité de l'enveloppe tubulaire (3), cette partie (14) étant prolongée en 35 amont par une paroi (15a) recourbée radialement vers l'intérieur pour former un entonnoir (15) qui se raccorde au tube de mélange, l'entonnoir comportant dans sa partie centrale le prolongement tubulaire (8) formant injecteur pour l'air de combustion, ce prolongement étant supporté par des manchons (16)orientés radialement mettant en communication le deuxième espace annulaire (4) et l'intérieur du prolongement tubulaire (8).