Brevet FR3011618A1 — publié le 20150410

BRIQUE REFRACTAIRE DE FORME. La présente invention concerne le domaine des briques 5 réfractaires, appelées également tuiles ou pièces de forme, pour paroi de chambre de combustion. Par chambre de combustion, on entend notamment un four ou une chaudière. Par concision, on ne décrira ici que l'exemple 10 de briques pour chaudière. Schématiquement, une chaudière comprend une chambre de combustion. Au moins une paroi de la chambre de combustion est équipée d'un ensemble d'au moins un tube. En fonctionnement, 15 la combustion est réalisée dans la chambre de combustion et un fluide circule à l'intérieur de l'ensemble de tubes. La chaleur de la combustion est transmise à travers les tubes au fluide caloporteur qui y circule. Le fluide permet de valoriser l'énergie thermique transférée typiquement sous 20 forme de chaleur et /ou d'électricité. Cependant, la combustion génère généralement des fumées corrosives qui dégradent les tubes, la corrosion étant fonction du combustible utilisé, de la température des fumées 25 et de la température des tubes. On prévoit donc de protéger les tubes de la corrosion par un ensemble de briques réfractaires qui, en outre, transmettent la chaleur de la combustion aux tubes. 30 Les briques sont donc d'une part des conducteurs thermiques qui permettent de transférer la chaleur d'une combustion réalisée dans une chambre de combustion de chaudière à un ensemble de tubes dans lesquels un fluide transite ; et d'autre part elles exercent une fonction de protection desdits tubes contre la corrosion générée par les fumées de combustion. Dans une chambre de combustion, les briques sont apposées les unes à côté des autres, un joint est apposé autour de chaque brique pour relier deux briques adjacentes entre elles, de sorte à constituer une paroi étanche, imperméable au passage des fumées de combustion vers les tubes chaudières En fonctionnement, les briques sont soumises à des hautes températures (typiquement 1200°C à 950°C en température de fumées) et à des atmosphères agressives, par exemple à base d'alcalins, de soufre ou de chlore, typiquement lors de l'incinération de certains déchets ou de biomasse. Il arrive parfois que certaines briques se décrochent, voire cassent, ce qui expose alors les tubes aux fumées corrosives et nécessite des interventions de maintenance de la 20 chaudière qui en pénalisent l'exploitation. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant, selon un premier de ses objets, une brique réfractaire (100, 200) pour paroi de 25 chambre de combustion, la brique comprenant une face chaude (HF) présentant une largeur (W h) et une longueur (L h) et destinée à être exposée à des fumées de combustion ; et comprenant une face froide (CF), opposée à la face chaude (HF), présentant une largeur (W c) et une longueur (L c), et 30 destinée à être à proximité ou au contact d'au moins un tube destiné à l'écoulement d'un fluide, la face froide (CF) étant équipée d'un logement borgne (103, 203) pour fixer la brique à un dispositif de fixation de la paroi. Elle est essentiellement caractérisée en ce que : la largeur (W h) de la face chaude est inférieure à la largeur (W c) de la face froide, ou la longueur (L h) de la face chaude est inférieure à la 5 longueur (L c) de la face froide. Par « ou », on entend un « ou » au sens booléen, c'est à dire que les deux caractéristiques ci-dessus peuvent s'entendre à titre alternatif ou combinatoire. 10 Grâce à ces caractéristiques, dans un premier mode de réalisation, la brique peut s'inscrire dans un solide ayant pour bases deux polygones égaux et parallèles, dont les côtés sont unis par des polygones, en particulier dont au moins deux 15 côtés opposés s'inscrivent chacun dans un trapèze isocèle. Dans un deuxième mode de réalisation, la brique peut s'inscrire dans un prisme, c'est à dire un solide ayant pour bases deux polygones égaux et parallèles, dont les côtés sont unis par des parallélogrammes. 20 Avantageusement, les briques selon l'invention présentent au moins un plan de symétrie passant par le centre de celles-ci. Avantageusement, une coupe transversale (perpendiculaire au plan de la face chaude et au plan de la face froide) de la 25 brique selon l'invention s'inscrit dans un trapèze, en particulier isocèle. De préférence : - la valeur de l'écart entre la largeur (W h) de la face 30 chaude et la largeur (W c) de la face froide est supérieure ou égale à la valeur de la déformation de la face chaude (HF) dans le sens de ladite largeur dans les conditions d'utilisation de ladite brique, et - la valeur de l'écart entre la longueur (L h) de la face chaude et la longueur (L c) de la face froide est supérieure ou égale à la valeur de la déformation de la face chaude (HF) dans le sens de ladite longueur dans les conditions d'utilisation de ladite brique. De préférence, la brique comprend un matériau à base de carbure de silicium. En particulier, les briques sont en carbure de silicium à liaison oxyde. On peut prévoir que les briques sont en carbure de silicium à liaison nitrure ou oxy-nitrure. On peut prévoir que la face froide (CF) présente au moins un évidement (102, 202) configuré pour épouser la forme dudit au moins un tube. On peut prévoir que la profondeur (D p) de la brique en 20 sa périphérie est inférieure ou égale à la profondeur (D h) de la brique en son coeur. On peut prévoir que la face chaude (HF) est sensiblement plane. 25 On peut prévoir qu'au moins une partie de la face froide (CF) s'inscrit dans un plan. De préférence, le plan dans lequel s'inscrit au moins une 30 partie de la face froide (CF) est parallèle à la face chaude (HF). Avantageusement, au moins deux faces latérales opposées présentent un biseau d'angle O. Selon un autre de ses objets, l'invention concerne un four ou une chambre de combustion pouvant comprendre une pluralité de briques réfractaires (100, 200) selon l'invention. De préférence, le four ou la chambre de combustion comprend un ensemble de briques réfractaires identiques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : La figure 1 illustre une coupe transversale d'un premier mode de réalisation de la brique, selon l'axe B-B de la figure 3, incluant le logement borgne. La figure 2 illustre une coupe transversale du premier mode de réalisation de la brique, excluant le logement borgne. La figure 3 illustre une coupe longitudinale du premier mode de réalisation de la brique, selon l'axe A-A de la figure 2. La figure 4 illustre une coupe transversale d'un deuxième mode de réalisation de la brique, selon l'axe B-B de la figure 6, incluant le logement borgne. La figure 5 illustre une coupe transversale du deuxième mode de réalisation de la brique, excluant le logement borgne. La figure 6 illustre une coupe longitudinale du premier mode de réalisation de la brique, selon l'axe A-A de la figure 5. La figure 7 illustre une vue de dessus, par la face chaude, du premier mode de réalisation de la brique dans lequel la face chaude est centrée par rapport à la face froide. - La figure 8 illustre une vue de dessus, par la face chaude, du deuxième mode de réalisation de la brique. - La figure 9 illustre en coupe longitudinale, deux briques selon le premier mode de réalisation accrochées sur un dispositif individuel de fixation respectif. Les briques réfractaires selon l'invention trouvent une utilité particulière dans un four ou une chambre de combustion, typiquement une chaudière. Un premier mode de réalisation de brique réfractaire est illustré en figure 1 à 3 décrites ci-après. Un deuxième mode de réalisation de brique réfractaire est 15 illustré en figure 4 à 6 décrites ci-après. Dans chacun de ces deux exemples, la brique est destinée à couvrir une paroi de chambre de combustion. 20 La chambre de combustion comprend un ensemble d'au moins un tube destiné à l'écoulement d'un fluide caloporteur. La chambre de combustion comprend également un système de fixation comprenant un ensemble de dispositifs individuels de fixation, chaque dispositif individuel étant configuré pour 25 pouvoir accrocher une brique individuelle. Une brique individuelle est destinée à être à proximité ou au contact d'au moins un tube. La brique comprend une face chaude HF et une face froide 30 CF. La face chaude HF est destinée à être exposée aux fumées de combustion de la chambre de combustion. La face froide CF est destinée à être à proximité ou au contact d'au moins un tube ; elle est également équipée d'un logement borgne pour fixer la brique à un dispositif de fixation individuel. De préférence, la face chaude est plane ou présente un grand rayon de courbure, ce qui simplifie leur fabrication, le nettoyage de la chambre de combustion et limite les risques de 5 corrosion en canalisant mieux les fumées. La brique s'inscrit par exemple dans un polyèdre. Comme les briques sont destinées à être apposées les unes aux autres, elles présentent avantageusement, au moins en coupe 10 transversale, une forme qui s'inscrit dans un rectangle. La face chaude HF présente une largeur Wh et une longueur L h. 15 La face froide CF est opposée à la face chaude et présente une largeur W c et une longueur L c. Face au problème de décrochage ou de casse des briques, des études ont été menées par le déposant, dont il résulte que 20 ces casses ou chutes sont dues à des déformations irréversibles des briques sous l'effet conjugué de la température et des espèces chimiques présentes dans les fumées de combustion. Ces déformations entrainent des contraintes mécaniques fortes au niveau de la fixation des briques et 25 entre les briques elles-mêmes qui tendent à se repousser, malgré les joints entre elles, et tendent ainsi à s'éloigner du mur de la chambre de combustion contre lequel elles sont placées. 30 En particulier, l'incinération de déchets ou la combustion de biomasse produit des espèces chimiques qui pénètrent dans les briques et génère des réactions chimiques à l'intérieur de celles-ci ce qui peut provoquer un gonflement de celles-ci par dilatation thermique couplée aux réactions chimiques. Dans le cas des briques à carbure de silicium, en 5 particulier à liaison oxyde, celles-ci sont poreuses. Le phénomène de déformation a lieu essentiellement en face chaude, à une température de fumées supérieure à 650 °C. En face froide, il n'y a pas de déformation ou la 10 déformation est négligeable par rapport à celle de la face chaude. Ce qui permet avantageusement que la face froide peut présenter au moins un évidement configuré pour épouser la forme d'au moins un tube, cet évidement n'est pas déformé. 15 A l'état neuf, les briques présentent initialement une forme s'inscrivant dans un parallélépipède rectangle. Après déformation, il a été observé qu'elles présentent une forme bombée (ovalisée) en face chaude dans le sens de la longueur et de la largeur de la brique. 20 Or, si la dilatation thermique des briques est réversible, en revanche, la déformation chimique qu'elles subissent est irréversible et génère une contrainte mécanique en face froide, vers le dispositif individuel de fixation de 25 chacune d'entre elles. Aussi, pour répondre au couplage thermique, chimique et mécanique que subissent certaines briques, et lutter contre le phénomène de déformation, on peut chercher à augmenter la 30 taille des joints entre les briques. Toutefois, cette solution pénalise les échanges thermiques entre les fumées et le fluide caloporteur des tubes et augmente fortement le risque de corrosion des tubes. On peut également chercher à modifier la physico-chimie de la combustion, ce qui n'est pas toujours possible en milieu industriel ; ou chercher à remplacer les briques en carbure de silicium par d'autres matériaux moins assujettis aux déformations, mais au risque d'être plus coûteux. La présente invention vise à résoudre ce problème de briques susceptibles de se déformer en modifiant astucieusement la forme de briques existantes, de sorte à anticiper la déformation éventuelle qu'elles pourraient subir. A cet effet, on prévoit que la largeur Wh de la face chaude HF est inférieure à la largeur W c de la face froide CF. On peut prévoir alternativement ou en combinaison que la longueur L h de la face chaude est inférieure à la longueur L c de la face froide. Comme la déformation est essentiellement en face chaude et dans le plan de celle-ci, les dimensions de la face chaude inférieures à celles de la face froide permettent, en cas de d'expansion de la face chaude, de limiter les risques de décrochage. De préférence, on prévoit que la valeur de l'écart entre la largeur Wh de la face chaude et la largeur W c de la face froide est supérieure ou égale à la valeur de la déformation de la face chaude dans le sens de ladite largeur dans les conditions d'utilisation de ladite brique. De même, on prévoit de préférence que la valeur de l'écart entre la longueur L h de la face chaude et la longueur L c de la face froide est supérieure ou égale à la valeur de la déformation de la face chaude dans le sens de ladite longueur dans les conditions d'utilisation de ladite brique. Ainsi, la largeur W h f de la face chaude HF après déformation est au maximum égale à la largeur W c de la face froide CF ; et la longueur L h f de la face chaude après déformation est au maximum égale à la longueur L c de la face froide. Avec de telles dimensions initiales, si la brique subit une déformation maximale en conditions d'utilisation, la largeur finale après déformation W h f de la face chaude devient au pire égale à la largeur W c de la face froide ; et la longueur finale après déformation L h f de la face chaude devient au pire égale à la longueur L c de la face froide. Dans ces conditions, la brique après déformation s'inscrit dans un parallélépipède rectangle et la déformation d'une brique n'exerce pas de contrainte sur une brique adjacente, mais seulement sur le joint qui les relie. En figure 9 on illustre une coupe longitudinale de deux briques adjacentes selon un premier mode de réalisation décrit ultérieurement, identiques entre elles, en conditions d'utilisation normale, avant déformation éventuelle. Une première brique 100a est accrochée sur un premier dispositif de fixation individuel 1000a, et une deuxième brique 100b est accrochée sur un deuxième dispositif de fixation individuel 1000b. Dans ce cas, la distance initiale D CFi séparant les deux faces froides CF est inférieure à la distance initiale D HFi séparant les deux faces chaudes HF. 30 Si ces briques subissent une déformation, l'espace libre E initialement réservé en face froide CF entre la brique et la paroi tubulaire TUB permet d'accommoder la déformation de la tuile en face chaude HF en limitant l'appui sur la paroi et donc les contraintes sur le système de fixation. Une fois la déformation maximale de la brique atteinte, cet espace libre E peut disparaitre et la face froide peut alors se retrouver en contact mais sans contrainte avec la paroi En outre, la distance finale D HFf (non illustrée) séparant les deux faces chaudes HF, est de dimension comparable à la distance initiale D CFi séparant les deux faces froides CF, puisque celle-ci est quasiment invariable. Par rapport à un parallélépipède rectangle illustré en pointillés sur la figure 1, une façon d'illustrer l'invention consiste par exemple à considérer qu'au moins deux faces latérales opposées présentent un biseau d'angle O. Comme illustré figure 9, la face chaude avant déformation éventuelle est plane et parallèle aux tubes TUB. L'angle e peut être déterminé en référence à un plan P perpendiculaire au plan de la face chaude. Profondeur La déformation évoquée dans le sens de la longueur et dans le sens de la largeur d'une brique peut induire une déformation dans le sens de la profondeur et conduire à générer des contraintes par appui entre la brique CF et les tubes. A cet effet, on peut prévoir que la profondeur de la brique D p en sa périphérie est inférieure ou égale à la profondeur D h de la brique en son coeur. Il existe donc un évidement d'épaisseur D c en périphérie de la brique, telle queDh=Dp+Dc. sur la figure 1 et sur la figure 2, l'évidement est représenté avec une épaisseur D c constante (au moins en coupe transversale) entre la périphérie et l'évidement configuré pour épouser la forme d'au moins un tube. On peut aussi prévoir un évidement d'épaisseur D c variable selon au moins une direction, par exemple sous forme de biseau. Par profondeur D h de la brique en son coeur, on entend l'épaisseur maximale de la brique, indépendamment de l'épaisseur du logement borgne. Premier mode de réalisation Un premier mode de réalisation de brique est illustré sur les figures 1 à 3, dans lequel la brique s'inscrit dans un polyèdre qui est un parallélépipède rectangle. Par convention, et pour simplifier la présente description, on considère que cette brique est configurée pour être disposée contre des tuyaux verticaux. La figure 1 est une coupe transversale de la brique illustrée en figure 2, et la figure 3 est une coupe longitudinale de la brique illustrée en figure 2. La figure 3 illustre, en vue de dessus, la face 30 inférieure DW ou la face supérieure UP de la brique 100, équipée d'une gorge 101 pour un joint entre briques adjacentes. De préférence, la brique 100 présente un plan longitudinal de symétrie (coupe AZ de la figure 2). La brique comprend au moins un évidement 102 configuré 5 pour épouser la forme d'au moins un tube, ainsi qu'un logement borgne 103 pour fixer la brique à un dispositif de fixation individuel (en pointillés sur la figure 2). La face froide CF présente s'inscrit au moins 10 partiellement dans un plan PP. La brique 100 présente des évidements en périphérie qui, en coupe longitudinale (figure 3), sont en biseau d'angle a par rapport au plan PP. La face supérieure UP, comme la face inférieure DW, 15 présente de préférence au moins une partie plane dont l'angle est au minimum de 90° par rapport à une face chaude HF plane. En l'espèce, voir figure 1 et figure 2, la face supérieure UP et la face inférieure DW présentent toutes deux une partie plane (non référencée) sensiblement perpendiculaire à la face 20 chaude HF et à la face froide CF, une gorge de jointoiement 101 et une partie plane dont l'angle est supérieur à 90° par rapport à la face chaude HF, de sorte à créer un biseau d'angle 0. De préférence, le biseau d'angle 0 illustré en coupe transversale (figure 1) est le même que le biseau d'angle 0 25 illustré en coupe longitudinale (figure 3). On suppose en effet que la déformation de la brique est la même dans le sens de la longueur et dans le sens de la largeur (à épaisseur égale). 30 Dans ce premier mode de réalisation, la brique comprend un premier plan de symétrie : le plan coupe AZ de la figure 2. Exclusion faite du logement borgne 103, la brique comprend un deuxième plan de symétrie : le plan coupe BB de la figure 2. Deuxième mode de réalisation Un deuxième mode de réalisation de brique est illustré sur les figures 4 à 6, dans lequel la brique s'inscrit dans un 5 polyèdre qui est un parallélépipède non rectangle, en l'espèce un prisme non droit. Par convention, et pour simplifier la présente description, on considère que cette brique 200 est configurée 10 pour être disposée contre des tuyaux verticaux. Elle est équipée d'une gorge 201 pour un joint entre briques adjacentes. 15 De préférence, la brique 200 présente un plan longitudinal de symétrie (coupe AZ de la figure 5). La brique comprend au moins un évidement 202 configuré pour épouser la forme d'au moins un tube, ainsi qu'un logement 20 borgne 203 pour fixer la brique à un dispositif de fixation individuel (en pointillés sur la figure 5). La face froide CF présente s'inscrit au moins partiellement dans un plan PP. La brique 200 présente des 25 évidements en périphérie qui, en coupe longitudinale (figure 6), sont en biseau d'angle a par rapport au plan PP. Dans le deuxième mode de réalisation, la périphérie de la brique 200 est définie par exemple comme comprise entre 30 l'extrémité de celle-ci et le point d'inflexion entre le biseau d'angle a par rapport au plan PP et la face supérieure UP (voir figure 6). Par rapport au premier mode de réalisation, le plan dans lequel s'inscrit la face supérieure UP est également parallèle au plan dans lequel s'inscrit la face inférieure DW mais en coupe longitudinale, aucun de ces plans n'est perpendiculaire à la face chaude HF ou la face froide CF. De préférence, la gorge de joint 201, présente deux dépouilles à 450 ce qui facilite le démoulage de la brique lors de sa fabrication. Dans ce deuxième mode de réalisation, la brique comprend un plan de symétrie : le plan coupe AZ de la figure 5. D'un point de vue général, de préférence au moins une partie de la face froide CF s'inscrit dans un plan, ce qui facilite par exemple la fabrication des briques. On peut prévoir que le plan dans lequel s'inscrit au 20 moins une partie de la face froide est parallèle à la face chaude, ce qui facilite par exemple la fabrication et le transport des briques. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation 25 précédemment décrits. Par exemple, on peut prévoir de mettre en oeuvre des briques en carbure de silicium à liaison nitrure ou oxy-nitrure ; sachant que celles-ci se déforment moins que celles à liaison oxyde. 30 On a illustré une face chaude sensiblement plane, ce qui facilite l'écoulement des fumées le long de cette face. Cependant on peut prévoir que la face chaude présente un relief, par exemple des ondulations (en coupe transversale) ou une forme qui épouse la forme d'au moins un tube en face froide et en face chaude, de sorte que l'épaisseur de la brique soit sensiblement constante (indépendamment de l'épaisseur du logement borgne). REVENDICATIONS1. Brique réfractaire (100, 200) pour paroi de chambre de combustion, la brique comprenant une face chaude (HF) 5 présentant une largeur (W h) et une longueur (L h) et destinée à être exposée à des fumées de combustion ; et comprenant une face froide (CF), opposée à la face chaude (HF), présentant une largeur (W c) et une longueur (L c), et destinée à être à proximité ou au contact d'au moins un tube destiné à 10 l'écoulement d'un fluide caloporteur, la face froide (CF) étant équipée d'un logement borgne (103, 203) pour fixer la brique à un dispositif de fixation de la paroi, caractérisée en ce que : la largeur (W h) de la face chaude est inférieure à la 15 largeur (W c) de la face froide, ou la longueur (L h) de la face chaude est inférieure à la longueur (L c) de la face froide. 2. Brique réfractaire selon la revendication 1, dans 20 laquelle : - la valeur de l'écart entre la largeur (W h) de la face chaude et la largeur (W c) de la face froide est supérieure ou égale à la valeur de la déformation de la face chaude (HF) dans le sens de ladite largeur dans les conditions 25 d'utilisation de ladite brique, et - la valeur de l'écart entre la longueur (L h) de la face chaude et la longueur (L c) de la face froide est supérieure ou égale à la valeur de la déformation de la face chaude (HF) dans le sens de ladite longueur dans les conditions 30 d'utilisation de ladite brique. 3. Brique réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un matériau à base de carbure de silicium. 4. Brique réfractaire selon la revendication 3, dans laquelle le carbure de silicium est à liaison oxyde, nitrure ou oxy-nitrure. 5. Brique réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la face froide (CF) présente au moins un évidement (102, 202) configuré pour épouser la forme dudit au moins un tube. 6. Brique réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la profondeur (D p) de la brique en sa périphérie est inférieure ou égale à la profondeur (D h) de la brique en son coeur. 7. Brique réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la face chaude (HF) est sensiblement plane. 20 8. Brique réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins une partie de la face froide (CF) s'inscrit dans un plan. 9. Brique réfractaire selon la revendication 8, dans 25 laquelle le plan dans lequel s'inscrit au moins une partie de la face froide (CF) est parallèle à la face chaude (HF). 10. Brique réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins deux faces 30 latérales opposées présentent un biseau d'angle O. 11. Four ou chambre de combustion comprenant une pluralité de briques réfractaires (100, 200) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10 15