BE1022911B1 - Dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d'un boîtier radiant - Google Patents

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BE1022911B1 BE2015/5331A BE201505331A BE1022911B1 BE 1022911 B1 BE1022911 B1 BE 1022911B1 BE 2015/5331 A BE2015/5331 A BE 2015/5331A BE 201505331 A BE201505331 A BE 201505331A BE 1022911 B1 BE1022911 B1 BE 1022911B1
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Olivier Pensis
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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d’un boîtier radiant présentant deux parois frontales et deux parois latérales et comprenant au moins une source de chaleur, ledit boîtier radiant présentant des parois frontales se joignant de facon que le boîtier présente, en section transversale, une forme sensiblement et globalement lenticulaire.

Description

Dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d’un boîtier radiant
La présente invention se rapporte à un dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d’un boîtier radiant présentant deux parois frontales et deux parois latérales et comprenant au moins une source de chaleur.
Un tel dispositif de chauffage, reposant sur l’utilisation de chaleur se propageant par radiation/rayonnement (on parle alors de chaleur radiante/rayonnante) au départ d’un élément radiant (notamment fabriqué en un alliage métallique ou en céramique), est notamment utilisé dans des fours de traitement thermique au sein desquels sont traités des produits typiquement métalliques (comme des barres, des tubes, des bandes) mais aussi, par exemple, des produits en d'autres matériaux comme de la céramique. Généralement, les fours de traitement thermique comprennent toute une série d’éléments radiants placés les uns au-dessus des autres et/ou les uns à côté des autres selon des rangées verticales et/ou horizontales. Généralement, les produits à traiter défilent verticalement ou horizontalement vis-à-vis de ces éléments et/ou entre ces éléments au départ desquels est émise de la chaleur radiante. A cette fin, chaque élément radiant comprend au moins une source de chaleur, laquelle peut par exemple se présenter sous la forme d’un brûleur muni d’au moins un injecteur de combustible, d’au moins une entrée d’un comburant et d’au moins une sortie de gaz de combustion de telle sorte que, alimenté en un combustible gazeux ou liquide et en comburant, le brûleur développe une flamme au sein de l’élément radiant au départ duquel rayonne alors de la chaleur vers les produits à traiter.
Principalement, les éléments radiants actuellement utilisés et connus de l’état de la technique consistent en des tubes radiants dont différentes formes sont proposées. Par exemple, un premier type de tube radiant est celui en « W » qui est composé de quatre brins de section circulaire et un second type de tube radiant est celui en « double P » qui est composé de trois brins circulaires. Toutefois, d’autres formes d’éléments radiants ont été développées comme par exemple des cassettes radiantes (voir ci-après).
Dans les procédés de traitement thermique réalisés par défilement continu ou non de produits (comme par exemple des bandes métalliques) devant des éléments radiants disposés dans un four, le transfert de chaleur dépend de la surface globale émettrice de chaleur (c’est-à-dire de l’ensemble des surfaces des éléments radiants au départ desquelles de la chaleur est rayonnée), du facteur de vue (ou facteur de forme) et l’écart de température à la quatrième puissance entre la surface rayonnante et le produit à traiter. Dans la pratique, la surface globale émettrice de chaleur est formée par une série de tubes parallèles et généralement placés de façon transversale par rapport au sens de déplacement du produit, dans le cas d’un défilement.
Ces tubes, installés suivant la pratique dans un four selon des rangées verticales et/ou horizontales, rayonnent de la chaleur vers le produit mais, en même temps, de par leur positionnement côte à côte et/ou l’un au-dessus de l’autre, ces mêmes tubes radiants s’irradient l’un l’autre (radiations mutuelles). En effet, des surfaces significatives de tubes radiants successifs se font face (se voient mutuellement), une surface d’un élément radiant donné interceptant le rayonnement d’un autre tube radiant successif donné, ceci ne permettant pas d’assurer un chauffage optimal du produit mais pouvant contribuer à une surchauffe mutuelle des tubes qui, dans certains cas de figures, se transmettent de la chaleur l’un à l’autre par rayonnement. D’une part, ceci a pour conséquence de limiter le transfert de chaleur vers le produit à traiter puisqu’une quantité de chaleur non négligeable est empêchée d’être transmise vers ce dernier. En effet, dès lors que deux éléments/tubes radiants connus de l’état de la technique se succèdent (sont placés côte à côte ou l’un au-dessus de l’autre), ils se « gênent » l’un l’autre et une perte de surface efficace de radiation est observée pour chacun de ces éléments/tubes radiants. Typiquement, ce phénomène de radiation mutuelle entraîne une perte de l’ordre de 40% de la capacité de chauffage des éléments/tubes radiants successifs, c’est-à-dire de tubes placés côte à côte ou l’un au-dessus de l’autre. D’autre part, les formes actuellement connues des tubes radiants de l’état de la technique contribuent à la création d’un gradient de température le long des tubes radiants, ce gradient de température ayant notamment un impact considérable sur la longévité des tubes radiants.
En résumé, dans la pratique, avec de tels éléments radiants sous forme de tubes, plusieurs problèmes non négligeables sont donc rencontrés dont notamment la présence d’un gradient de température le long des tubes mais aussi le phénomène de rayonnement mutuel entre tubes successifs qui est responsable d’une perte de capacité de chauffage du produit à traiter par chacun des tubes. Cette perte de capacité de chauffage est liée à la présence de nombreux tubes radiants dans les fours et au peu d’espace libre entre ces derniers. Il convient en effet de disposer de suffisamment de tubes pour atteindre une capacité de chauffage suffisante mais un grand nombre de tubes amplifie le phénomène de radiation mutuelle. Ceci se traduit par une dégradation du facteur de forme (ou facteur de vue) qui n’est dès lors pas optimal pour le chauffage par rayonnement. En effet, avec les éléments radiants connus de l’état de la technique, la fraction de la radiation émise par un élément/tube et interceptée par la surface d’un autre élément/tube n’est pas négligeable, ce qui se traduit par une faible valeur de facteur de vue.
Afin de tenter de faire face à ces inconvénients, le document EP 1203921 propose un dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d’une cassette radiante présentant une forme parallélépipédique. Plus spécifiquement, cette cassette renferme une veine (un tunnel) de combustion dont une extrémité est reliée à un brûleur alimenté en comburant et en combustible par l’intermédiaire d’au moins deux injecteurs de gaz, l’autre extrémité de la veine étant ouverte pour permettre une circulation des gaz de combustion. Une évacuation de ces gaz de combustion est prévue via une sortie de gaz de combustion présente à la surface de la cassette radiante. Avec un tel dispositif de chauffage selon le document EP 1203921, une flamme est développée dans une veine de combustion qui rayonne de la chaleur vers les parois du parallélépipède formé par la cassette, lesquelles parois rayonnent alors de la chaleur à leur tour vers les produits à traiter.
Par ailleurs, même si ce document antérieur décrit un dispositif de chauffage présenté comme ayant des performances accrues assurant une homogénéité de la température des parois rayonnantes de la cassette (ceci notamment en réduisant les puissances par mètre cube de volume d’espace de combustion) et un facteur de vue amélioré, il n’en demeure pas moins que des radiations mutuelles importantes entre les surfaces hautes et basses de deux cassettes parallélépipédiques successives posent problème tout comme c’est le cas avec les tubes radiants classiques. L’invention a pour but de pallier au moins ce problème subsistant de l’état de la technique en procurant un dispositif de chauffage à la fois performant, c’est-à-dire présentant un facteur de vue optimisé, et qui permet de minimiser significativement les radiations mutuelles essentiellement observées au niveau des parois hautes et basses de deux éléments (tubes ou boîtiers) radiants successifs se trouvant par exemple l’un au-dessus de l'autre dans un four de traitement thermique.
Pour résoudre ce problème, il est prévu suivant l’invention, un dispositif de chauffage tel qu’indiqué au début caractérisé en ce que ledit boîtier radiant présente des parois frontales se joignant de façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme sensiblement et globalement lenticulaire.
Par les termes « le boîtier présente, en section transversale, une forme sensiblement et globalement lenticulaire », on entend, au sens de la présente invention, que le boîtier radiant comprend des parois frontales sensiblement convexes qui se rejoignent en leur partie haute et basse en formant une arête, un léger-plat ou une légère-courbure (léger-arrondi) et non pas une surface plane comme ce serait le cas si le boîtier présentait une forme parallélépipédique. Plus spécifiquement, par les termes « sensiblement et globalement lenticulaire » on entend, au sens de la présente invention, que les parois frontales présentent au moins une partie courbe, laquelle peut être précédée ou succédée par une ou plusieurs autres parties rectilignes ou courbes, la succession de toutes ces parties formant une paroi frontale sensiblement et globalement lenticulaire.
Par les termes « une source de chaleur », on entend, au sens de la présente invention, tout élément ou tout dispositif permettant un apport de chaleur au sein du boîtier radiant. A titre d’exemple, la source de chaleur peut se présenter sous la forme d’au moins un brûleur muni d’au moins un injecteur d’un combustible, d’au moins une entrée d’un comburant et d’au moins une sortie de gaz de combustion. La source de chaleur selon l’invention pourrait également se présenter sous la forme d’une résistance électrique ou sous toute autre forme.
Dans le cadre de la présente invention, il a été déterminé, qu’un tel boîtier radiant présentant, en section transversale, une forme sensiblement et globalement lenticulaire permet à la fois de minimiser significativement les radiations mutuelles entre deux boîtiers successifs tout en optimisant le facteur de vue, c’est-à-dire en optimisant la fraction de la radiation émise par chacun des boîtiers et étant interceptée par les produits à traiter. Ceci est particulièrement inattendu puisqu'il est évident que la forme idéale d’un élément radiant serait une surface plane parallèle au produit à traiter. En effet, une telle surface plane et continue d’un élément radiant permettrait d’assurer un transfert optimal de chaleur par rayonnement vers une autre surface qui lui serait parallèle ou du moins qui serait située en face. Or, le dispositif de chauffage selon l’invention se présente sous la forme d’un boîtier radiant dont les parois frontales se joignent de telle façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme sensiblement et globalement lenticulaire. En effet, le boîtier suivant l’invention présente des parois frontales sensiblement convexes qui se joignent en leurs parties haute et basse en formant une arête : les parois frontales ne présentent donc certainement pas une surface plane.
En outre, il a été montré, dans le cadre de la présente invention, que le dispositif de chauffage suivant l’invention présente des performances accrues assurant une homogénéité de la température des parois rayonnantes du boîtier radiant, ceci en réduisant les puissances par mètre cube de volume par rapport aux tubes radiants classiques décrits plus haut mais aussi par rapport à la cassette radiante décrite dans le document EP 1203921.
Avantageusement, les parois frontales du dispositif de chauffage selon l’invention se joignent dans une partie basse et dans une partie haute en formant par exemple une arête. Comme indiqué ci-dessus, une telle jonction des parois frontales a été déterminée, dans le cadre de la présente invention, comme s’approchant au mieux des caractéristiques radiatives d’un élément radiant optimal qui serait une surface plane et continue radiante. Il a en effet été déterminé qu’une telle jonction est adéquate tant pour minimiser les radiations mutuelles entre boîtiers successifs que pour assurer un chauffage optimal des produits à traiter.
Préférentiellement, ladite forme sensiblement et globalement lenticulaire selon une section transversale du boîtier selon l’invention présente un rayon principal de courbure R tel que le rapport entre ce rayon de courbure R et un pas P défini entre les deux centres de deux boîtiers successifs est supérieur ou égale à 0,5. Suivant l’invention, il a été déterminé qu’un tel rapport supérieur ou égal à 0,5 entre ce rayon de courbure R et le pas P défini entre deux boîtiers successifs est adéquat afin d’assurer un chauffage optimal par radiation, c’est-à-dire afin d’obtenir un facteur de vue adéquat, ceci tout en minimisant significativement les radiations mutuelles entre deux boîtiers successifs.
De préférence, le dispositif de chauffage selon l’invention comprend des éléments internes de canalisation de flux de gaz et/ou de rigidification.
Selon un mode de réalisation suivant l’invention, lesdits éléments internes se présentent sous la forme de plaques et/ou de structures, toute autre forme et/ou structure de ces éléments internes pouvant convenir étant couverte par la présente invention. La présence de ces éléments internes, qu’ils soient sous la forme de plaques ou autre, permettent de canaliser le flux de gaz issu de la combustion si ils sont agencés pour constituer une séparation partielle ou totale entre la flamme centrale et les parties adjacentes au centre du boîtier. De tels éléments permettent également le développement de la combustion dans des canaux adjacents et/ou assurent un rôle de rigidification et de maintien du système en contenant les parois du boîtier radiant. Ces éléments peuvent aussi permettre de maîtriser la flexion du dispositif de chauffage.
Avantageusement, les parois frontales du dispositif de chauffage selon l’invention peuvent être profilées avec des ondulations de toute forme ou avec des créneaux de toute forme.
De préférence, dans le cas d’une source de chaleur par combustion, le dispositif de chauffage selon l’invention comprend un récupérateur de chaleur interne et/ou externe.
Préférentiellement, le récupérateur de chaleur interne ou externe du dispositif de chauffage selon l’invention est un échangeur régénératif de chaleur. Il est avantageux de prévoir un tel échangeur régénératif de chaleur qui permet un meilleur réchauffement du combustible et/ou du comburant de sorte à optimiser le rendement de la combustion réalisée dans le boîtier. D’autres formes de réalisation du dispositif de chauffage suivant l’invention sont indiquées dans les revendications annexées. L’invention a aussi pour objet un four pour le traitement thermique de produits, en particulier pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique, ledit four comprenant au moins un dispositif de chauffage selon l’invention. D’autres formes de réalisation du four suivant l’invention sont indiquées dans les revendications annexées. L’invention a aussi pour objet une utilisation d’un dispositif de chauffage selon l’invention pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique. D'autres formes d’utilisation d’un dispositif de chauffage suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif et en faisant référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une représentation schématique en perspective d’un dispositif de chauffage selon l’invention.
La figure 2 est une représentation schématique selon une vue latérale d’un dispositif de chauffage selon l’invention.
La figure 3 est une représentation schématique selon une coupe transversale suivant l’axe lll-lll (tel qu’illustré à la figure 2) d’un dispositif de chauffage selon l’invention.
La figure 4 est une représentation schématique d’un four particulier comprenant des dispositifs de chauffage selon l’invention.
La figure 5 est une représentation schématique de deux dispositifs de chauffage selon l’invention qui sont placés les uns au-dessus des autres, comme c’est par exemple le cas dans un four suivant l’invention (tel que celui représenté à la figure 4).
Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.
La figure 1 illustre, selon une vue en perspective, le dispositif de chauffage 1 suivant l’invention. Comme illustré, le dispositif de chauffage 1 se présente sous la forme d’un boîtier de forme lenticulaire dans sa section transversale. Ce boîtier est composé de deux parois frontales 2, sensiblement convexes se joignant en leur partie haute et en leur partie basse en y formant une arête 3, 3’. Un emplacement 4, pour une source de chaleur, passe au travers d’une paroi latérale 5 du dispositif de chauffage 1 et une deuxième paroi latérale (non visible) ferme quant à elle l’extrémité du boîtier opposée à la paroi latérale 5 accueillant l’emplacement 4 pour une source de chaleur. Cette deuxième paroi latérale est reliée à un moyen d’accrochage et/ou de fixation 6 du boîtier lorsqu’il est placé dans un four.
La figure 2 est une vue latérale reprenant les mêmes éléments que ceux illustrés à la figure 1 où sont visibles des éléments internes 7 de canalisation de flux de gaz et/ou de renfort sous forme de plaque.
La figure 3 est vue en coupe selon l’axe lll-lll (tel qu’illustré à la figure 2) du dispositif de chauffage 1 se présentant sous la forme d’un boîtier de forme lenticulaire dans sa section transversale. Ce boîtier est composé de deux parois frontales 2, 2’ sensiblement convexes se joignant en leur partie haute et en leur partie basse en y formant une arête 3, 3’. Le dispositif de chauffage 1 accueille un emplacement 4 pour une source de chaleur, ledit emplacement 4 présentant une section circulaire dans le mode de réalisation illustré.
En fonctionnement, lorsqu’un brûleur présent en 4 est alimenté en combustible et en comburant, une flamme se développe dans le dispositif de chauffage 1, c’est-à-dire dans le boîtier, de façon centrale selon le mode de réalisation illustré. Lorsque des éléments internes 7 de canalisation de flux de gaz et/ou de renfort sont présents, ils constituent par ailleurs un écran entre cette flamme centrale et les parties adjacentes au centre du boîtier et permettent de canaliser le flux de gaz lié à la combustion.
La figure 4 est une représentation schématique d’un four particulier 8 comprenant une pluralité de dispositifs de chauffage 1, 1’ suivant l’invention. Selon le mode de réalisation illustré, une bande métallique 9 défile dans le four en étant entraînée par des rouleaux de renvoi et de transport 10. La bande 9 est ainsi chauffée sur ses deux faces par chacun des dispositifs de chauffage 1, 1’ en passant devant les faces frontales 2, 2’ de ces derniers. De par la forme lenticulaire du dispositif de chauffage 1,1’ selon l’invention, la bande métallique 9 est soumise à un chauffage homogène tout le long de son parcours dans le four 8, les radiations mutuelles entre boîtiers successifs 1,1’ étant significativement minimisées.
La figure 5 est une représentation schématique de deux dispositifs de chauffage 1, 1’ qui sont placés les uns au-dessus des autres, comme c’est par exemple le cas dans un four 8 suivant l’invention. Comme on peut le constater, lorsque deux boîtiers 1, 1’ successifs suivant l’invention sont placés les uns au-dessus des autres, seules des arêtes 3, 3’ se font face, ce qui minimise significativement les radiations mutuelles entre ces mêmes boîtiers 1, 1 ’ et ce qui optimise les facteurs de vue de chacun des dispositifs de chauffage 1,1’ selon l’invention.
En outre, suivant l’invention, il a été déterminé que, de façon préférée, le boîtier 1,1’ présente, en section transversale, une forme de lentille (forme lenticulaire) dont le rayon de courbure R est tel que le rapport entre ce rayon de courbure R et le pas P défini entre deux boîtiers 1,1’ successifs est supérieur ou égale à 0,5.
Exemples
Des comparatifs ont été réalisés afin de déterminer les puissances par mètre cube de volume et par mètre carré de section de passage de flamme du dispositif de chauffage suivant l’invention par rapport aux tubes radiants classiques décrits plus haut mais aussi par rapport à la cassette radiante décrite dans le document EP 1203921. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-dessous.
1 puissance connectée 2 diamètre équivalent au centre du boîtier lenticulaire
Comme on peut le constater, avec le boîtier de forme lenticulaire dans sa section transversale selon l’invention, la puissance par mètre cube de volume de l’espace de combustion est significativement réduite par rapport à celles observées avec les tubes radiants et la cassette radiante de l’état de la technique. Ceci se traduit par une nette amélioration de l’homogénéité de température de la flamme et donc des parois rayonnantes. Un chauffage par radiation significativement plus homogène est ainsi obtenu avec un dispositif de chauffage suivant la présente invention. De plus, un facteur de vue (de forme) optimisé est obtenu avec un dispositif de chauffage selon l’invention, ceci en parallèle avec une réduction significative des radiations mutuelles entre boîtiers successifs. il est bien entendu que la présente invention n’est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d’un boîtier radiant présentant deux parois frontales et deux parois latérales et comprenant au moins une source de chaleur, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit boîtier radiant présente des parois frontales se joignant de façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme sensiblement et globalement lenticulaire.
  2. 2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce lesdites parois frontales se joignent dans une partie basse et dans une partie haute en formant une arête.
  3. 3. Dispositif de chauffage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite forme sensiblement et globalement lenticulaire présente un rayon principal de courbure R tel que le rapport entre ce rayon de courbure R et un pas P défini entre les deux centres de deux boîtiers successifs est supérieur ou égale à 0,5.
  4. 4. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend des éléments internes de canalisation de flux de gaz et/ou de rigidification.
  5. 5. Dispositif de chauffage selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits éléments internes se présentent sous la forme de plaques et/ou de structures.
  6. 6. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parois frontales dudit boîtier sont profilées avec des ondulations de toute forme ou avec des créneaux de toute forme.
  7. 7. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, dans le cas d’une source de chaleur par combustion, un récupérateur de chaleur interne et/ou externe.
  8. 8. Dispositif de chauffage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit récupérateur de chaleur interne et/ou externe est un échangeur régénératif de chaleur.
  9. 9. Four pour le traitement thermique de produits, en particulier pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique, ledit four comprenant au moins un dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. 10. Utilisation, dans un four, d’un dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique.
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