Brevet FR2963086A1 — publié le 20120127

La présente invention concerne un perfectionnement des brûleurs à combustibles gazeux tels que ceux utilisés dans les fours de l'industrie céramique et plus particulièrement les fours tunnel à feu continu. Dans ce type de four, les produits sont disposés sur la sole de wagons en 5 déplacement de l'entrée vers la sortie du four tunnel en suivant le cycle de cuisson nécessaire à la transformation desdits produits. Nous désignerons par le terme « enceinte de cuisson » la zone en température délimitée par la sole du wagon et les parois du four et dans laquelle les produits suivent le cycle de cuisson. 10 Au cours de ce cycle de cuisson, les produits sont amenés progressivement à la température de cuisson, puis ils traversent la zone à haute température équipée de brûleurs puis sont ensuite refroidis. II est connu d'employé le terme de « tuyère » ou « fleuret » pour désigner le type de brûleur concerné par l'invention pour lequel le mélange de l'air comburant et 15 du gaz combustible est effectué près de l'embout du brûleur dirigé vers l'enceinte de cuisson et que nous désignerons par le terme de « nez » du brûleur dans la suite de la description. Ces brûleurs sont également qualifiés de brûleurs à combustion externe car la combustion des gaz s'effectue principalement dans l'enceinte de cuisson dont la 20 température peut dépasser les 1000 degrés centigrades. Ces brûleurs « tuyères » sont souvent regroupés en « centrales » de 4 à 20 brûleurs et il n'est pas rare de compter plus de 10 centrales sur la longueur de la zone de cuisson d'un four tunnel. Ces brûleurs peuvent être décrit schématiquement comme l'assemblage 25 de trois éléments fonctionnels : - Une extrémité que nous nommerons la tête du brûleur, situé à l'extérieur du four et sur laquelle sont regroupés les raccordements aux réseaux d'air de combustion et de gaz ainsi que les éventuels connections électriques de commande et de contrôle. - L'autre extrémité, que nous nommons le nez du brûleur est situé au niveau de la 30 chambre de combustion. Ledit nez assure les fonctions de distribution des fluides et leur mélange. Sa géométrie détermine en partie les caractéristiques de fonctionnement du brûleur. Il est généralement constitué d'un embout tronconique prolongé par une partie cylindrique d'injection. - Le corps du brûleur a pour fonctions le transfert de l'air de combustion et du gaz 35 combustible de la tête du brûleur vers le nez ainsi que certains dispositifs de commande et de contrôle. Ledit corps du brûleur est généralement constitué d'un ou plusieurs tubes concentriques et sa longueur est fonction de l'épaisseur de la paroi du four sur lequel est installé le brûleur. Le problème posé par ce type de brûleur est le contrôle de la position de la zone de combustion dans l'enceinte de cuisson. Afin de garantir une homogénéité de cuisson des produits, il est nécessaire de moduler la position de ladite zone de combustion, ainsi, certains brûleurs seront réglés pour délivrer leur puissance thermique à proximité du nez de brûleur quand d'autres devront délivrer cette même puissance à plusieurs mètres de distance. Pour ces brûleurs de type « Tuyère » cette distance entre le nez du brûleur et la zone de combustion du mélange air / ~o combustible dans l'enceinte de cuisson est déterminée par la vitesse et le débit d'éjection des gaz et la géométrie dudit nez. Pour un combustible comme le gaz naturel et dans les conditions de combustion stoechiométriques, l'air de combustion représente environ 90% de la totalité du mélange injecté. Cet air de combustion est donc le principal facteur sur 15 lequel il est possible d'intervenir pour modifier la position de la zone de combustion dans l'enceinte de cuisson. Pour modifier la position de la zone de combustion, il est connu de faire varier les pressions d'alimentation en air et en gaz au niveau de la tête du brûleur mais ces variations modifient également la puissance du brûleur et le rapport massique 20 air/combustible. Ce rapport détermine l'atmosphère oxydante ou réductrice localement obtenue dans la zone de combustion et influe directement sur la qualité des produits. Il apparaît donc très difficile de modifier la position de la zone de combustion sans influencer également la puissance de chauffe et la qualité de la combustion. 25 II est également connu de modifier la géométrie du nez des brûleurs pour modifier la position de la zone de combustion. Sur les fours de l'industrie céramique, et en particulier les fours tunnels où les produits traversent une zone de cuisson équipée de plusieurs centrales, il n'est pas rare que lesdites centrales soient chacune équipées de brûleurs ayant des caractéristiques géométriques et des réglages différents afin, 30 qu'au final, les produits aient le même degré de cuisson quelquesoit leur position dans l'enceinte de cuisson. Ces opérations nécessitent l'arrêt et le démontage des brûleurs et ne peuvent pas être considérées comme des éléments de régulation. Pour apporter une solution à ce problème, certains constructeurs proposent des brûleurs qui intègrent deux réseaux d'air de combustion totalement 35 indépendants. On retrouve ainsi, deux connections d'air sur la tête du brûleur, deux circuits de transfert également indépendants dans le corps et deux géométries de distribution au niveau du nez. Cette solution qui revient à imbriquer deux brûleurs en un seul ensemble présente l'inconvénient de doubler les équipements de distribution en amont du brûleur. Le brûleur selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients et de régler la distance entre le nez du brûleur et la zone de combustion dans l'enceinte de cuisson pendant le fonctionnement du brûleur sans influence notable sur les conditions d'alimentation en air ou en gaz combustible et en conservant un seul réseau d'alimentation en air et un seul circuit de transfert dans le corps jusqu'au dispositif de distribution situé au nez du brûleur. ~o Le brûleur selon l'invention comporte, un dispositif de distribution situé au nez du brûleur. Ce dispositif a pour fonction de répartir l'air de combustion transféré dans le corps du brûleur vers deux zones d'injection de caractéristiques aérauliques différentes dans l'enceinte de cuisson. Selon une première caractéristique, ledit dispositif est divisé du coté des 15 alimentations en air et en gaz par le corps de brûleur en plusieurs secteurs radiaux délimités par : - Un tube délimitant l'enveloppe extérieure du dispositif et de section voisine de celle du corps extérieur du brûleur que nous désignerons par le terme tube enveloppe. - Un second tube concentrique au tube enveloppe et destiné à recevoir le tube 20 d'alimentation en gaz combustible que nous désignerons par le terme de tube central - Des cloisons radiales séparant les différents secteurs et reliant le tube enveloppe et le tube central. Le nombre de secteurs sera préférentiellement pair et compris entre 2 et 10. Selon une autre caractéristique, ledit dispositif est divisé du coté injection 25 dans l'enceinte de cuisson en deux zones concentriques d'injection des gaz. La zone centrale est constituée d'un injecteur de faible section et elle concentre le flux d'air et de gaz afin de former un jet à grande vitesse destiné à atteindre les zones le plus éloignées du nez du brûleur. La zone périphérique permet de ralentir le flux d'air en le répartissant sur une surface plus large à l'aide d'un diffuseur et en lui appliquant 30 éventuellement un mouvement giratoire autour de l'axe d'injection afin de maintenir le mélange gazeux à proximité du nez du brûleur. Selon une autre caractéristique, chacune des deux zones d'injection est alimentée par un ou plusieurs des secteurs définis coté alimentation. Les secteurs alimentant la zone centrale à grande vitesse sont de forme tronconique afin de 35 concentrer les flux d'air dans ladite zone centrale. Un jeu obturateurs permet de masquer plus ou moins certains secteurs du coté de l'alimentation et ainsi de répartir l'air de combustion entre les zones d'injection. Ledit jeu d'obturateurs permet de régler de manière continue la position de la flamme dans l'enceinte de cuisson. La tête du brûleur permet de raccorder les flexibles d'alimentation en air de combustion et en gaz. Elle intègre également le système de commande du jeu d'obturateurs situé au nez du brûleur. Le corps du brûleur est constitué d'un tube extérieur destiné à transférer l'air de combustion et d'un tube de plus faible section, concentrique au premier et ~o destiné à transférer le gaz combustible au dispositif de distribution. Selon des modes particuliers de réalisation : - Le dispositif de distribution peut être fabriqué en une seule pièce intégrant l'ensemble des fonctions de distribution et d'injection et fixé à l'extrémité du corps de brûleur. 15 - Le diffuseur de la zone périphérique peut être amovible et adapté aux conditions de fonctionnement du four et aux pressions d'air et de gaz.. - Le diffuseur de la zone périphérique et l'injecteur haute vitesse de la zone centrale d'injection peuvent être réalisés dans la même pièce. - Le tube d'alimentation en gaz de combustion peut servir de support au système 20 d'obturation et en constituer l'élément mécanique de commande. - Le dispositif peut être intégré à l'intérieur du corps extérieur du brûleur. Dans cette disposition, ledit corps assure les fonctions de tube enveloppe du dispositif. - Le dispositif ou une partie de celui-ci peut être moulé en matériaux réfractaires tels que l'acier réfractaire, la cordiérite ou le carbure de silicium. 25 Les dessins annexés illustrent l'invention : - La figure 1 représente une vue de face d'un brûleur standard de type « tuyère » couramment utilisé dans l'industrie. - La figure 2 représente une vue en coupe d'un brûleur standard de type « tuyère » couramment utilisé dans l'industrie. Sur cette vue, est représenté schématiquement 30 une section de la paroi de four pour une meilleure compréhension de l'installation. - La figure 3 représente une vue en perspective du dispositif de distribution du brûleur selon l'invention - La figure 4 représente en coupe le dispositif de distribution du brûleur de l'invention selon des secteurs qui alimentent la zone d'injection centrale à haute vitesse. 35 - La figure 5 représente en coupe le dispositif de distribution du brûleur de l'invention selon des secteurs qui alimentent la zone d'injection périphérique. - La figure 6 représente en vue de dessus, coté alimentation, le dispositif de distribution du brûleur de l'invention selon une variante à 4 secteurs radiaux dont 2 alimentent la zone d'injection centrale et 2 autres alimentent la zone de diffusion périphérique. - La figure 7 représente en vue de dessus, coté alimentation, le dispositif de distribution du brûleur de l'invention selon une variante à 6 secteurs radiaux dont 3 alimentent la zone d'injection centrale et 3 autres alimentent la zone de diffusion périphérique. - La figure 8 représente une vue en coupe du dispositif intégré dans le tube extérieur du corps de brûleur. Pour une meilleure compréhension, on a fait figurer sur cette coupe le corps extérieur du brûleur et le tube central d'alimentation en gaz de combustion. - La figure 9 représente, une vue en perspective du dispositif de la figure 8. Le corps extérieur du brûleur n'est pas représenté pour faciliter la compréhension du dessin. Un mode de réalisation de l'obturateur adapté à la variante du dispositif d'alimentation à quatre secteurs est représenté à titre d'exemple non limitatif. - La figure 10 représente un mode de réalisation amovible du diffuseur destiné à provoquer une rotation du flux d'air injecté. En référence à ces dessins, on distingue la tête de raccordement (1) sur laquelle on a repéré l'orifice de raccordement au circuit d'air de combustion (2) et celui destiné au circuit de gaz (3). Le tube extérieur d'alimentation en air du corps du brûleur (4), le tube central d'alimentation en gaz combustible (5) et le nez (6) d'injection des gaz dans l'enceinte de cuisson. Sur les vues de détail du dispositif de distribution, on distinguera : la zone 25 d'alimentation en air de combustion (7), la zone d'injection du mélange gazeux dans l'enceinte de cuisson (8). Sur les vues de détail en coupe du dispositif de distribution, on distingue les secteurs tronconiques (9) destinés à concentrer le flux d'air de combustion dans la zone centrale d'injection (10) et les secteurs (11) qui alimentent à la zone d'injection 30 périphérique (12) et le diffuseur (13). Le tube enveloppe (14) du dispositif de distribution est fixé sur le corps extérieur (4) du brûleur par tout moyen connu. Les cloisons radiales (15) délimitent les secteurs tronconiques (9) en reliant l'extrémité des surfaces coniques au tube central et garantissent ainsi la 35 séparation des flux gazeux entre les différents secteurs. Les surfaces coniques (16) et l'orifice cylindrique (17) permettent de centrer et de raccorder le tube d'alimentation en gaz combustible (5) à la zone d'injection centrale (10) et de garantir l'étanchéité entre les différents secteurs. Le gaz combustible se trouve ainsi mélangé à l'air de combustion dans le cas ou les secteurs (9) sont dégagés par l'obturateur (18). Sur certaines figures, une section de la paroi du four (19) a été schématiquement représentée. Par simplification, le moyen de fixation du brûleur sur la paroi du four n'a pas été représenté et l'axe principal du brûleur est vertical. Toute autre orientation est également envisageable sans modifier la portée de l'invention. ~o Les angles des surfaces coniques sont donnés à titre indicatif et pourront varier sans remettre en cause le principe du dispositif. Dans un mode de réalisation, l'obturateur (18) est commandé par la rotation du tube d'alimentation en gaz (5) étant entendu que d'autres modes de commande sont possibles sans remettre en cause les spécificités de l'invention. 15 A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de distribution intégré au corps du brûleur ou fixé à l'extrémité dudit corps aura un diamètre compris entre 3 et 10 cm et une hauteur comprise entre 1 fois et 3 fois le diamètre. Ces dimensions permettent d'adapter le brûleur à la plupart des fours en service. Les applications de ce brûleur concernent en premier lieu l'équipement des 20 fours tunnel de cuisson dans l'industrie céramique. Ces fours doivent garantir des conditions d'homogénéité de température et d'atmosphère très strictes pour que les produits fabriqués aient tous le même degré de cuisson. Les hétérogénéités dans l'enceinte de cuisson ont également pour conséquence d'augmenter inutilement la consommation énergétique globale des fours 25 Les modifications de cadence ou de produits entraînent souvent des reprises de réglages et représentent un souci permanent pour les exploitants. Le brûleur selon l'invention permet de positionner et de modifier aisément son propre apport énergétique dans l'enceinte de cuisson. Son utilisation devrait faciliter la conduite des fours et se traduire par une réduction de la consommation 30 globale d'énergie ainsi que par une amélioration de la qualité des produits. REVENDICATIONS1) Brûleur à combustibles gazeux permettant de régler la distance entre le nez du brûleur et la zone de combustion dans l'enceinte de cuisson d'un four pendant le fonctionnement du brûleur et sans influence notable sur les conditions d'alimentation en air ou en gaz combustible et en conservant un seul réseau d'alimentation en air et un seul circuit de transfert jusqu'au dispositif de distribution situé au nez du brûleur caractérisé en ce qu'il comporte à son extrémité située du coté de l'enceinte de cuisson, un dispositif de distribution comportant un tube enveloppe de section voisine de celle du corps extérieur du brûleur et un second tube concentrique au tube enveloppe et destiné à recevoir le tube d'alimentation en gaz combustible. ~o Ledit dispositif est divisé du coté de l'alimentation en air de combustion en plusieurs secteurs radiaux et comporte du coté de l'enceinte de cuisson, une zone centrale d'injection à grande vitesse et une zone périphérique de diffusion de telle sorte que l'un au moins des secteurs situés du coté de l'alimentation est de forme tronconique limitée par des cloisons radiales reliant le tronc de cône au tube central et est 15 connecté à la zone centrale d'injection et que les autres secteurs alimentent la zone de diffusion Périphérique. 2) Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un obturateur commandé au niveau de la tête du brûleur permet de masquer tout ou partie des secteurs alimentés en air de combustion. 20 3) Brûleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de distribution est intégré au tube d'alimentation en air de combustion formant le corps extérieur du brûleur de telle sorte que ledit corps assure les fonctions de tube enveloppe du dispositif. 4) Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes 25 caractérisé en ce que le dispositif de distribution est divisé, coté alimentation en air de combustion, en un nombre de secteurs compris entre 2 et 10. 5) Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone périphérique est équipée d'un diffuseur destiné à répartir le flux d'air de combustion et à lui donner un mouvement de rotation. 30 6) Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif de distribution est moulé en une seule pièce intégrant l'ensemble des fonctions de distribution. 7) Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif de distribution est moulé en un matériau réfractaire tel que de l'acier réfractaire, de la cordiérite ou du carbure de silicium. 8) Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le tube d'alimentation en gaz est également l'un des organes de commande de l'obturateur.