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Four à bassin et récupérateur auto-épurateur des fumées pour fusion du verre.
La présente invention a pour objet la combinaison d'un four à bassin pour fusion du verre avec un récupérateur d'un type particulier.
Bans les fours à bassin, la. quantité de chaleur empor- tée par les gaz de combustion est très considérable et il y a le plus grand intérêt à en récupérer une fraction aussi importante que possible. Aussi, tous les fours à bassin sont-ils équipés avec un dispositif de récupération de ces chaleurs : le système et les appareils utilisés à cet effet réagissent d'une façon in- time sur l'organisation du four proprement dit et sur la condui- te de son chauffage; le four et son dispositif de récupération constituent donc un ensemble ayant son individualité propre.
Jusqu'ici les fours à bassin ont été équipés, le plus souvent, avec des régénérateurs de chaleur du type Siemens ; ces appareils, comme on le sait, sont formés par des empilages de briques réfractaires présentant des canaux à travers lesquels, dans une première phase, on fait circuler les gaz de la combus- tion qui cèdent une partie de leurs calories à la masse des ré- fractaires; dans une seconde phase, on fait circuler à travers ces mêmes canada, les gaz à réchauffer : gaz combustible provenant du gazogène d'une part, air comburant, d'autre part. La chaleur accumulée dans la masse réfractaire au cours de la première phase est partiellement restituée ces gaz au cours de la, se-
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conde phase.
Les régénérateurs ont de nombreux inconvénients . les échanges de chaleur entre les gaz et les masses réfractaires y sont lents ; ilfaut donc y fiare passer de grands volumes de gaz pour obtenir une récupération calorifique Satisfaisante; on est ainsi obligé généralement de réchauffer à la fois le gaz combustible et l'air comburant destiné aux brûleurs, ce qui en- traîne l'emploi de deux systèmes de régénérateurs distincts; cha- cun de ces deux systèmes comporte deux régénérateurs travaillant alternativement en accumulateurs de chaleur puis en réchauffeurs.
On a donc une construction fort encombrante. Mais l'inconvénient le plus grave, dans le cas des fours à bassins, réside dans les inversions périodiques des courants gazeux. Ces inversions qui, en pratique, ont lieu toutes les heures environ, amènent chaque fois une perturbation profonde dans le régimé de chauffage du bassin. Elles compliquent et rendent délicate la conduite des opérations de fusion dans le bassin.
On a déjà proposé de substituer des récupérateurs aux régénérateurs types Siemens, afin que le courant des gaz réchauf- fés soit continu et toujours de même sens. Les récupérateurs sont des échangeurs de chaleur tubulaires dans lesquels les gaz à réchauffer circulent intérieurement et sont réchauffés d'une fçon continue par le courant de gaz brûlés circulant extérieu- rement. On a utilisé jusqu'ici des récupérateurs formés par des assemblages de poteries réfractaires percées de trous, et super- posées verticalement de façon que les trous des différentes po- teries forment des c&naux verticaux pour le passage du gaz à chauffer, tandis que les gaz brûlés circulent dans des canaux horizontaux formés par les intervalles laissés entre les rangées verticales de poteries.
Ces récupérateurs ont le défaut d'avoir un rendement médiocre en raison de la mauvaise conductibilité des oteries réfractaires; ils s'encrassent facilement; les pote ries attaquables par les fumées sodiques issues du four perdent rapidement leur étanchéité; elles se percent ou se fissurent et donnent alors lieu à des fuites qui diminuent encore le rende- ment. Enfin, leur ensemble forme une maçonnerie inaccessible, im possible à surveiller en marche normale; dès que le fonctionne- ment du récupérateur devient défectueux, la démolition s'impose.
La présente invention porte sur la combinaison d'un four à bassin pour fusion du verre avec un récupérateur réchauf- fant uniquement l'air comburant et constitué comme suit ; est
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formé de tubes à section circulaire en matière réfractiare dis- posés par rangées horizontales superposées dans une chambre étan che que traverse le courant de gaz et fumées issus du four, per- pendiculairement à l'axe des tubes; ceux-ci débouchent à leurs deux extrémités dans des chambres à air séparées de la chambre à fumées par des murs étanches dans lesquels sont encastrées les extrémités des tubes. L'air à réchauffer s'écoule à l'intérieur des tubes à contre-courant des fumées.
La matière réfractaire employée pour la fabrication des tubes est choisie parmi celles qui, outre une bonne conductibilité thermique, possèdent une température d'affaissement élevée et une résistance mécanique élevée à haute température de facon à permettre de réaliser des tubes d'une portée relativement grande et capables de supporter sans déformations dangereuses les températures régnant dans la chambre des fumées.
La matière qui convient le mieux à la fabrication de ces tubes est le produit désigné commercialement sous le nom de carborundum. C'est, conxne il est connu, un produit à base de siliciure de carbone aggloméré au moyen d'un liant approprié.
Les tubes en carborundum se distinguent par une excellente con- ductibilité thermique, une bonne résistance mécanique à haute température qui permet de les utiliser sur des longueurs de l'ordre de 1,30 m à 1,50 m et avec des diamètres de l'ordre de 0,15 m. Ils offrent de plus une résistance élevée aux agents corrosifs à haute température.
Au lieu de tubes en carborundum, on peut envisager aussi l'emploi de tubes en sillimanite ou en corindon. Ces deux matières ont une conductibilité inférieure à celle du carborun- dum; par contre, elles possèdent une résistance aux agents cor- rosifs encore meilleure. En particulier, il est parfois intéres- sant d'employer des tubes dans ce genre à l'entrée du récupéra- teur, c'est-à-dire dans la région où les gaz et fumées du four pénètrent à haute température et plus ou moins chargés d'impu- retés nocives.
Dans l'installation qui fait l'objet de l'invention, on emploiera de préférence la disposition connue qui consiste à placer à l'intérieur des tubes un noyau réfractaire coaxial de diamètre plus faible; le rayonnement de la paroi intérieure du. tube échauffe ce noyau; le gaz circule dans le canal annulai:' formé entre cette paroi et le noyau. La présence du noyau aug- mente la vitesse du gaz, ainsi que les surfaces d'échange et ac-
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croit dans une forte proportion le taux de transmission de la chaleur entre le tube et le gaz.
L'emploi de récupérateurs à tubes de carborundum du type précédent est déjà connu pour des fours tunnels et pour cer- tains fours métallurgiques. Mais jusqu'ici leur application aux fours à bassin pour fusion de verre n'avait jamais été proposée.
Le demandeur a constaté que l'association d'un récu- pérateur de ce type avec un four à bassin offre des avantages remarquables et notamment facilite, dans une mesure inespérée, la conduite et le contrôle des opérations de fusion dans le bas- sin. L'excellente conductibilité thermique des tubes à noyau in- térieur, permet de réaliser un récupérateur d'encombrement beau- coup plus faible que celui des régénérateurs ou des récupéra- teurs en poterie, tout en laissant entre les différents tubes l'espacement nécessaire pour assurer aux gaz de chauffage une circulation sans perte de charge excessive.
Il est facile de créer ainsi une circulation méthodique à contre-courant épuisant au maximum la chaleur récupérable dans les gaz de la combustion et celle-ci peut être tout entière recueillie par l'air comburant qui circule à l'intérieur des tubes. Le régime de température de l'air à la sortie du récupérateur peut être maintenu pratique- ment constant. D'autre part. l'air réchauffé débouchant toujours aux mêmes points en un courant continu toujours de même direction, on peut aménager les brûleurs et le départ des gaz brûlés de fa- çon à maintenir une parfaite régularité dans l'allure de chauf- fage des différentes régions du bassin.
De plus, le mode de cons truction du récupérateur, avec tubes horizontaux, indépendantes les uns des autres, petmet une surveillance facile en matche, et, le cas échéant, se prête au remplacement d'un tube avarié sans interrompre la campagne de production du four.
L'adaptation d'un récupérateur de ce genre à un four à bassin exige un certain nombre de précautions particulières.
Les gaz brûlés entraînent,à leur sortie du four, des particules vitreuses en fusion dont il faut éviter le dépôt sur les tubes du récupérateur. D'autre part, les tubes situés à l'entrée du récupérateur et léchés par les gaz à la température la plus haute sont particulièrement exposés à la corrosion par les v&peurs sodiques et il faut les protéger contre cette atta- que.
L'invention prévoit à cet effet diverses dispositions qui
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peuvent être employées séparément ou en combinaison :
1 - un aménagement des conduits de départ des fumées desti- né à réduire la proportion de particules vitreuses entraînées dans les gaz;
2 - à l'entrée du récupérateur, un dispositif épurateur de fumées comprenant une chambre d'expansion où les gaz perdent de la vitesse et abandonnent une partie de leurs impuretés;
3 - un nettoyage des fumées réalisé de la façon suivante :
avant que les fumées chaudes issues du four ne rencontrent les premiers tubes du récupérateur, on leur fait lécher des pièces inactives au point de vue du réchauffage de l'air et faites en un matériau attaquable par les impuretés susceptibles d'attaquer à haute température la matière des tubes; on pourra employer à cet effet des pièces en carborundum, en sillimanite, en corindon, en silice, etc... Mais, de préférence, on emploiera des pièces faites avec la.même matière que les tubes à protéger. Elles se- ront placées dans la chambre d'expansion ou à l'entrée du récu- pérateur ou dans les deux à la fois, et disposés de façon à ne pas troubler le régime du courant de fumées.
On placera par exem- ple, un certain nombre de barres pleines en carborundum en amont des crémiers tubes du récupérateur et parallèlement à ces der- niers. Des trcus d'homme convenablement placés permettront de les surveiller et le cas échéant, de les remplacer sans arrêter la campagne de fabrication.
Les tubes du. récupérateur reposent par leurs extrémi- tés sur des murs qui forment en même temps les parois séparant les chambres à air de la chambre des fumées. Il est important qu'aucune fuite ne puisse se produire d'une chambre à l'autre.
Pour assurer cette étanchéité, il est prévu des modes particu- liers de réalisation desjoints entre les tubes et la maçonnerie qui les supporte, ainsi que des joints entre les briques qui constituent cette maçonnerie. Il en est de mme pour les joints des voûtes qui recouvrent les différentes chambres.
On va décrire en regard des figures annexées, un exem- ple de réalisation qui permettra d'expliquer plus en détail les particularités de l' invention.
La figure 1 est une élévation en coupe longitudinale d'un four à, bassin avec récupérateur en tubes de carborundum, suivant la ligne 1-1 de la figure 2.
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La figure 2 est une coupe horizontale suivant la ligne 2-2 de la figure 1.
La figure 3 est une coupe verticale à travers le récu- pérateur suivant la ligne 3-3 de la figure 1, les tubes enlevés.
La figure 4 est une coupe verticale partielle suivant l'axe d'un tube du récupérateur.
La figure 5 est une vue en bout de l'extrémité d'un tube et de la, maçonnerie qui l'encastre.
La figure 6 montre un mode d'assemblage étanche pour voussoirs.
Sur les figures 1, 2 et 3, le four à bassin est repré- senté en 1 ; ilest muni d'un ou plusieurs brûleurs 2 débouchant sur la face opposée aux portes de travail 3. Le nombre des brû- leurs peut, naturellement, varier avec la largeur du four. Les courants parallèles de flammes aboutissent avant 'la chambre de travail 4 à deux départs latéraux de fumées 5 munis de registres de réglage. Un pot à dépôt de verre 6 est aménagé sous chaque dé part de fumées. Les deux départs de fumées sont relevés au-dessus de la voûte du bassin. Cette disposition donne une première ré- duction des entraînements d'impuretés dans las fumées. Les dé- parts de fumées peuvent être réunis en une seule conduite 7 pour l'entrée dans le récupérateur.
Les gaz combustibles provenant du gazogène sont amenée aux brûleurs par les canalisations 8.
Le récupérateur est représenté en 9. Les tubes en car- borundum 10, ouverts à leurs deux extrémités et munis d'un noyau concentrique 11, y sont disposés horizontalement et en quinconce. Ils sont encastrés à leurs deux extrémités dans des chambres à air 14 et 15 dont ces murs constituent les façades.
Les chambres à air sont compartimentées verticalement par des plaques 16 ou des voûtes 17. L'air froid introduit par le venti- lateur 18 à la base de la chambre 14 traverse ainsi un premier groupe de tubes pour gagner le -premier compartiment de la chan- bre à air 15, traverse en sens inverse un second groupe de tubes pour déboucher à nouve&u dans la chambre 14 et ainsi de suite.
L'air réchauffé atteint le compartiment supérieur de la chambre 14 et sort en 19 pour gagner le ou les brûleurs. Les chambres à air sont recouvertes à leur partie supérieure par des voûtée 20 en briques de silice.
Avant de pénétrer dans la chambre de fumées 21 du ré-
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cupérateur, les fumées amenées par la tuyauterie 7 débouchent dans une grande chambre 22, où'elles perdent une grande partie de leur vitesse. Toutes les parois de cette chambre se revêtent, aux dépens das impuretés contenues dans les fumées, d'une gla- çure qui assure à la chambre une étanchéité parfaite. Les excès des impuretés se rassemblent dans des pots ou bassins de dépôts de grandes dimensions 23 (fig. 2) ménagés sur la sole de la chambre. Ces pots, grâce à des trous d'homme 24, restent accessi bles pour l'enlèvement des excès éventuels de dépôts et ce, sans arrêter la campagne de fabrication.
.La chambre d'expansion 22 est en communication directe avec la chambre 21 qui contient les tubes récupérateurs. Les fumées de combustion parcourent la chambre 21 de haut en bas, et g@gnent la cheminée par le carneau 25.
En vue de parachever au maximum le nettoyage des fu- mées et de protéger les tubes en car'borundum 10 contre les ac- tions corrosives, les fumées avant de passer sur ces tubes lè- chent des barres cylindriques en carborundum 26 placées à l'en- trée de la chambre 21. Ces barres, parallèles aux tubes, peuvent par exemple, reposer simplement sur des encorbellements des murs 12 et 13. Un trou d'homme 27 permet de surveiller l'état de ces barres, et, le cas échéant, de les remplacer sans arrêter la campagne de fabrication.
Bien entendu, en cas de fumées très chargées de produits nocifs, on peut disposer également dans la chambre d'expansion 22 des pièces attaquables qui fixeront une partie de ces produits.
La protection du récupérateur peut encore être com- plétée en appliquant, sur les tubes en carborunduri des premières rangées un enduit au corindon.
Les dispositifs de protection qui viennent d'être dé- crits sont applicables non seulement aux fours de verrerie, mais aussi à tous les fours dont les fumées charrient des produits nocifs, notamment aux fours de l'industrie chimique.
Les chambres à air 14 et 15 ont une section suffisante pour qu'un homme puisse facilement y pénétrer et y travailler sens aucune démolition. Il est prévu dans chaque compartiment une porte de visite 28 il cet effet. Chaque fois que la chose sera. possible. on aura recours à des plaques plutôt qu'à des voûtes pour compartimenter les chambres à air. On emploiera des plaques légères, en sillimanite par exemple, simplement posées
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sur des encorbellements des parois, ainsi qu'il est représente pour les plaques 16 de la figure 1. Ces plaques sont faciles à enlever et à remplacer. Cette disposition contribue également à faciliter 1-. visite des chambres.
Elle a en outre sur les voû tes l'avantage de lu légèreté, d'un moindre encombrement et d'une diminution des frais de construction.
L'étanchéité entre les chambres à air et la chambre à gaz est assurée de la facon suivante:
Les briques de forme qui constituent les murs 12 et 13 présentent sur le côté formant façade dans la chambre à air de profondes rainures en queue d'aronde (fig. 4), posées les unes sur les autres à joint fin, elles laissent entre elles, sur cette facade, des joints larges et profonds 29 que l'on cal- fate soigneusement avec un coulis réfractaire quand la pose des tubes et le montage de,la maçonnerie sont achevés.
Les briques présentent des évidements cylindriques pour recevoir les extrémités des tubes en carborundum à encas- trer dans les murs. Les fig. 4 et 5 donnent un exemple de pose d'un tube et montrent comment est réalisée l'étanchéité à l'en- droit de pose. L'extrémité du tube 10 repose dans les évidements cylindriques des trois briques de forme 30a, 30b, 30c. Le tube est posé à sec dans ce logement; anrès montage, on procède au scellement des tubes sur les briques de support et au calfatage des larges joints en queue d'aronde 31 qui sont ménagés entre la périphérie extérieure du tube et les briques.
Cette opération s'effectue avec un coulis réfractaire que l'on refoule et que l'on bourre entre le tube et les briques; le tube ne doit en aucun point être en contact direct avec les briques.
Malgré le soin apporté à ce calfatage, il peut se produire en service, un léger retrait du calfatage provoquant la formation de lignes directes de fuites entre les chambres à air et la chambre des fumées le long du scellement des extré- mités des tubes. Cet inconvénient est évité, selon l'invention, an ménageant dans les extrémités des tubes, une ou plusieurs rainures circulaires qui brisent toute ligne de fuite éventuelle.
La figure 4 montre un exemple de réalisation de cette disposi- tion. L'extrémité du tube 10 est façonnée de manière à présen- ter un ressaut circulaire 32. Les dimensions de ce ressaut, pour un tube de 0,15 m de diamètre extérieur et 0,05 m d'épaisseur,
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sont par exemple de 0,015 m en -profondeur suivant l'axe du tube et de 0,01 m de largeur radiale.
Les voûtes qui recouvrent les chambres à air et la chambre des fumées réclament la même étanchéité que les cloi- sons de séparation de ces chambres. A cet effet, elles sont construites, comme le montre la figure 6, au moyen de pièces d'assises 33 et de voussoirs 34 présentant des joints en queue d'aronde 35 pour calfatage extérieur et des rainures à emboî- tement 36 pour briser les lignes éventuelles de fuite.
Les maçonneries d.u récupérateur et les conduits d'a- menée des gaz de la combustion sont de préférence calorifugés à l'aide d'un revêtement extérieur approprié.
Revendications
1 - Installation de four à bassin pour fusion du verre caractérisée par l'association d'un four à bassin à courant de flammes continu, toujours de même direction et d'un récupérateur échangeur de chaleur à circulation méthodique à contre-courant formé de tubes parallèles en matière réfractaire de bonne conduc= tibilité thermique et peu sensible aux corrosions des fumées, telle que sillimanite, corindon et principalement carborundum, munis de préférence d'un noyau intérieur, parcourus intérieure- ment par l'air comburant refoulé vers le ou les brûleurs, léchés extérieurement par les gaz et fumées évacués du four à bassin,
disposés en quinconce par rangées horizontales superposées et débouchant dans des chambres à air latérales séparées de la cham- bre des fumées par des cloisons en maçonnerie servant de support aux dits tubes.