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Perfectionnements aux fours-tunnels à chauffage mixte
Les diverses variétés de fours-tunnels sont générale- ment classées en trois grandes catégories . la première comprend les fours à flamme mouflée, la seconde les fours dits à flamme directe ou à flambe libre, la troisième les fours chauffés é- lectriquement. Cette troisième catégorie peut rentrer, à cer- tains égards, dans la catégorie des fours à flamme mouflée, puisqu'elle ne comporte pas de flamme libre au contact des pro- duits à cuire.
Aux catégories précédentes on doit toutefois ajouter une catégorie supplémentaire, celle des fours à chauffage mixte où l'on fait intervenir les trois modes de chauffage précédents ou deux d'entre eux.
La pénurie générale de combustibles, et d'autre part
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la tendance générale, en tous pays, vers le chauffage électri- que doivent développer le système mixte avec appoint du chauf- fage électrique.
La présente invention s'applique aux fours-tunnels à chauffage mixte; elle consiste à appliquer à chaque région du four le mode de chauffage et la source d'énergie chauffante qui convienment le .mieux en cette région, en vue d'utiliser au mieux les avantages respectifs de ces modes de chauffage et de ces sources d'éhergie en ce qui concerne les températures à développer et l'action à exercer sur les produits; cette répar- tition est combinée avec des réglages organisés de façon à per- mettre de suivre d'une façon rigoureuse, tout le long du four, la courbe température-temps établie pour la cuisson du matériau considéré, et contrôler dans chaque zône de chauffage la compo- sition de l'atmosphère.
Au cours de la cuisson d'une pâte céramique par exem- ple, les phases de déshydratation, les transformations allotro- piques de la silice, la dissociation des sulfates, les dilata- tions, etc... marquent autant de causes d'accidents dans la oourbe température-temps à maintenir; il faut tenir compte en- oore de l'action favorable ou défavorable d'un milieu atmosphé- rique donné, variable selon la température de cuisson. Dans un. four-tunnel à flamme libre, cuisant des produits en chargement ouvert, c'est-à-dire sans les protéger et les enfermer dans des cassettes fermées, il est fort difficile de satisfaire à toutes ces conditions.
C'est pourquoi le four-tunnel à flamme mouflée a dû être utilisé dans de très nombreux cas d'applications, mal- gré ses servitudes particulières dues à la nature spéciale des parois des moufles et malgré son rendement thermique plus faible Autre,nént dit, un sacrifice plus ou moins important a dû être consenti tant sur le prix de premier établissement du four que sur le prix de revient des cuissons ; c'est précisément l'un des inconvénients que l'invention se propose d'éviter.
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Les dispositions de l'invention utilisent les avan- tages des moufles à double paroi et à écrans pour limiter dans les zônes à haute température le rayonnement direct de la paroi chauffée sur les produits, et pour régler localement l'échange thermique par la nature, la forme et la disposition des parois, et par l'accolèrent contre ces parois de tampons écrans d'é- paisseur et de conductibilité convenables. Elles utilisent les avantages de la flamme libre pour la constitution de l'atmos- phère intérieure du tunnel en permettant au mieux la localisa- tion de cette atmosphère dans un flux de fumées en mouvement vers son exhaure. Elles utilisent également les avantages du chauffage électrique en l'appliquant aux endroits où il convier le mieux avec les réglages automatiques qu'il comporte.
Elles coordonnent pour leur meilleur emploi les di- verses énergies calorifiques fournies sous forme de gaz riche ou d'huile, de gaz pauvre, de courant électrique, etc...; ce meilleur emploi étant la justification du four-tunnel à chauf- fage mixte dont le but est de réaliser uniformément, dans une même section transversale du chargement, les températures et les atmosphères convenables en chaque point de la courbe tempé- rature-temps, au moyen d'énergies chauffantes de sources diver- ses, utilisées dans les meilleures conditions d'efficacité et de rendement.
Elles localisent exactement la meilleure position d'emploi de ces énergies, par exemple l'emploi des combustibles riches, gaz ou huile, aux températures les plus élevées de la courbe, et l'emploi des combustibles pauvres ou du courant élec- trique aux températures plus basses de la courbe qui lui con- viennent le mieux.
L'invention a, en outre, pour effet utile, de suppri- mer certains défauts que présentent en eux-mêmes les divers modes de chauffage, pris isolément ou même combinés.
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La flamme mouflée sur toute la longueur de la zône de préchauffage est peu efficace en fin de parcours, c'est-à- dire au début du préchauffage, la masse des gaz chauffants étant réduite par les départs de fumées nécessaires au réglage de la courbe de température au cours du préchauffage et la transmission de chaleur à travers les parois réfractaires du moufle étant relativement faible si la température des fumées est déjà suffisamment abaissée. Si, par contre, cette tempé- rature est maintenue élevée, les'fun/ées quitteront le moufle en emportant trop de calories, d'où un rendement du four insuf- fisant. L'accroissement de conductibilité des parois du moufle dans cette zône (parois métalliques par exemple) est un moyen d'amélioration convenable, mais dans certains cas seulement, et qui peut entrainer un entretien onéreux.
En correstion de ces défauts, pour fournir, à la place du moufle devenu inefficace, la quantité relativement im- portante de calories à apporter à ces températures, l'invention utilise, dans les zônes de températures moyennes, c'est-à-dire de 200 à 5000 C environ, soit la flamme libre, soit le chauffa- ge électrique particulièrement convenable à ces températures où les résistances métalliques chauffantes durent très longtemps.
Mais cette utilisation, pour être pleinement effica- ce et ne pas entraîner de surchauffe nuisible de la partie su- périeure du tunnel à l'entrée du four ,,doit être coordonnée : d'une part, avec des dispositions de recirculation telles que prévues dans le brevet français 822.305 du 27 mai 1937 qui as- surent dans la zône de préchauffage l'égalisation de tempéra- ture entre le haut et le bas des chargements en prélevant dans cette zône des gaz à la partie inférieure du four pour en ré- introduire une fraction réglable en des points convenablement échelonnés à la partie supérieure du four; ces dispositions per- mettent l'emploi de chauffeurs auxiliaires -(brûleurs ou résis-
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tances chauffantes)- agissant dans une zône très proche de l' entrée du tunnel ;
près de l'extrémité à haute température de cette zône des températures moyennes il est généralement avan- tageux de réintroduire en outre, d'une façon analogue, des fu- mées chaudes prélevées dans le moufle ou à la sortie du moufle, le moufle jouant alors le même rôle que le collecteur des fu- mées après leur sortie du tunnel dans les fours chauffés entiè- rement par flamme libre, d'autre part, avec des dispositions de recirculation prélevant de l'air chaud au début de la zône de refroidissement et de préférence à la partie haute du four, pour le diriger extérieu- rement au tunnel, vers la zône de préchauffage ou vers les brû- leurs des zônes précédentes, en utilisant à cet effet la pres- sion thermostatique qui règne à la partie supérieure de la zône de refroidissement, ou tout autre moyen;
ces dispositions étant elles-mêmes combinées vers la fin du refroidissement avec une reciroulation de l'air entre la partie basse et la partie haute de la zône de refroidissement, où l'air prélevé dans le bas du four est réinjecté par des souffleurs orientés vers le centre du tunnel ; on peut régler la pression de ces souffleurs placés ainsi à la sortie du four par rapport à celle des souffleurs d'entrée pour bénéficier d'une mise en pression du tunnel dans les zônes centrales favorisant le départ de l'air chaud de ré- cupération. Ce réglage de pression contribue également à déter- miner le sens général du mouvement de l'atmosphère dans le four.
Au-delà de la zône finissant aux environs de 5000 par exemple, une ou plusieurs zones critiques sont à envisager, correspondant notamment, dans les cuissons céramiques, aux transformations de la silice, ou aux retraits de transformation en biscuit, etc... et dans les cuissons métallurgiques aux ...phases successives des transformations métallurgiques.
Dans ces zones critiques l'accélération de l'élévation de tempéra- ture des produits est à régler avec rigueur, et il faut en ou-
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tre éviter l'influence perturbatrice des zones d'anont où sont développées de plus hautes températures et dans lesquelles peuvent ou doivent régner des atmosphères déterminées, souvent différentes de celles qui conviennent aux dites zônes critiques A cet effet, l'invention prévoit, pour ces zones critiques,.19 emploi de la flamme mouflée ou du chauffage électrique, cobi- né avec celui de la flambe libre, en limitant l'action de cette dernière à n'être qu'un appoint à l'action du moufle ou du chauffage électrique ;
elleprévoit, en même temps, l'évacuation dans les moufles de tout ou partie des fumées qui circulent dans ces zônes. On peut ainsi contrôler avec précision l'élé- vation de la température dans les zônes critiques, en utilisant le réglage électrique, ou le réglage de l'effet chauffant des parois du moufle; celui-ci dépend de leur surface d'échange, de leur épaisseur et de leur conductibilité et peut se régler par interposition d'écrans d'épaisseur et de conductibilité convenables posés entre ces parois.
La flamme libre étant rédui te à un rôle d'appoint, aussi bien comme on le verra dans les zônes à haute température que dans les zônes critiques, on n'a plus **4 évacuer dans les zones du préchauffage et notamment dans celles qui correspondent aux températures critiques, des masses considérables de fumées à température élevée ; cette masse rédui te de fumées peut être évacuée dans les moufles où elles agissent encore efficacement, compte tenu des moyens de réglage ci-dessus.
Dans la zône de cuisson finale, où règnent les plus hautes températures, on réduit aussi comme il vient d'être dit, à un rôle d'appoint le rôle du chauffage par flamme libre. On évite ainsi l'action trop intensive toujours à craindre du rayonnement direct des flammes libres sur les produits. Dans cette zône le chauffage moufle ou le chauffage électrique sont utilisés pour créer un fort appoint de calories, mais à une température inférieure à la température maxima à réaliser, et cependant aussi haute que le permettent le pouvoir calorifique
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du combustible employé ou la tenue des résistances électriques et la conductibilité des parois des moufles.
Le chauffage à flamme libre intervient seulement, en combinaison avec les au- tres modes de chauffage, pour créer la pointe ou le palier de température nécessair e. Dans ces conditions, il ne donne qu'un volume réduit de fumées. L'association de la flamme libre au chauffage moufle, dans la zône des températures élevées, permet d'employer pour les moufles dans cette zône des matériaux moins hautement conducteurs, donc moins coûteux que dans le cas du chauffage par moufle seul.
Dans tout four-tunnel, la zône de refroidissement con tiguë à la zone de cuisson à haute température exerce sur celle ci une influence qui se manifeste par rayonnement direct ou par convection d'air relativement froid. Selon l'invention cette in fluence nuisible est combattue par les dispositions suivantes .
Des brûleurs à flamme libre placés à la limite même des deux zones utilisent comme comburant l'air relativement froid qui provient de la zone de refroidissement. Ils sont ali- mentés par des amenées d'air chicanées dans un écran réfractaire séparant les deux zones et s'opposant au rayonnement; ces ame- nées d'air dirigent l'air au mieux de la combustion à réaliser.
Dans la zône de début du refroidissement, s'opère également le prélèvement prévu plus haut, d'un volume déterminé d'air chaud thermosiphonné hors du tunnel pour être réintroduit dans la zône de préchauffage.
Dans la zône de fin de refroidissement, l'invention prévoit une recirculation de l'air prélevé dans la partie infé- rieure du four et réinj ecté à la partie supérieure par des souffleurs orientés vers le centre du tunnel.
Ces dispositions se combinent, en y contribuant en partie, avec le réglage du mouvement général de déplacement de l'atmosphère dans le tunnel, grâce auquel se trouve réglé en particulier le volume d'air chaud passant directement de la zône
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de refroidissement à la zone de cuisson.
On peut régler, en effet, le mouvement de l'atmos- phère dans le tunnel en conjuguant, avec la dépression nainte- nue dans le système moufle par le ventilateur d'exhaure, l'ac- tion combinée sur l'atmosphère intérieure du tunnel des souf- fleurs de recirculation de la zone de refroidissement situés respectivement du côté entrée et du oôté sortie du tunnel et dirigés en sens inverse. Le réglage des pressions des deux sys- tèmes de soufflage permet de créer un mouvement d'écoulement de vitesse déterminée dans le sens allant de la sortie vers l'entrée du tunnel.
D'autre part, les moyens décrits permettent de pro- duire et de localiser dans une zône déterminée une atmosphère de composition voulue, soit oxydante, soit neutre, soit réduc- trice, malgré l'écoulement général des fumées. On créera par exemple, ,une atmosphère réductrice en disposant aux endroits voulus des brûleurs d'appoint à flamme libre, convenablement combinés avec l'emploi des autres modes de chauffage, avec l'in troduction de fumées dans les moufles ou l'exhaure définitive hors du tunnel de tout ou partie des dites fumées; grâce à quoi, on pourra maintenir dans la zône envisagée et dans les zônes adjacentes la composition convenable de l'atmosphère.
C'est ain si que l'on pourra, en particulier, assurer la carburation des pâtes de faienoe par dissociation de l'acide carbonique en oxy- de de carbone et carbone à la température la plus convenable.
S'il s'agit de maintenir une atmosphère oxydante on y parvien- dra de même par un emploi judicieux des moyens de chauffage combinés éventuellement avec l'appoint d'un excès d'air chaud de récupération.
A titre d'exemple, on va décrire en regard du dessin annexé, l'application de l'invention à un four-tunnel destiné à la cuisson de produits céramiques.
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La figure 1 est une coupe longitudinale schématique du four ; lafigure 2 est une coupe transversale suivant la li- gne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe,suivant 3-3 de la figure 2.
La cuisson du produit considéré comporte par exemple la succession de phases suivantes ; I - Début du chauffage : évaporation de l'eau libre et de l' eau de combinaison. L'accroissement de température est lent.
II- Continuation du préchauffage; l'accroissement de tempéra- ture peut être relativement plus rapide que dans la phase I et doit être beaucoup plus rapide que dans la phase suivente.
III - Phase critique des transformations de la silice.
IV - Phase où l'accroissement de température peut être plus rapide que dans les phases précédentes, mais où par exemple, l'atmosphèrejusqu'alors maintenue oxydante doit être mainte- nue neutre ou réductrice.
V - Phase où ont lieu les dernières transformations de la matière, par exemple les dernières déshydratations rapides.
VI - Phase à accroissement rapide de température.
VII - Phase de température maxima à maintenir plus ou moins longtemps en atmosphère généralement oxydante.
VIII- Phase du début du refroidissement qui ne doit pas réagir sur la phase précédente.
IX - Phase de fin de refroidissement.
Les phases I, II, III constituent le préchauffage, . les phases VIII et IX le refroidissement.
L'invention ne comportant aucune disposition particu- libre pour les phases de refroidissement intermédiaires, celles ci ont été omises.
Le four est chauffé dans les zônes oorrespondant aux phases III, IV, V, VI, et VII par le moufle. dans lequel dé- bouchent les brûleurs moufles Bm; à l'action de ces brûleurs
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est associée celle des brûleur s à flamme libre Bl débouchant dans le tunnel dans la phase IV et de brûleur s à flamme libre à la limite des zones VI et VII.
Des brûleurs à flamme libre Bl sont également placés en phase II et séparés de l'origine du moufle M par un interval- le L non chauffé de longueur convenablement calculée.
Dans cet exemple, le chauffage électrique n'est pas utilisé.
Des gaz chauds provenant de la phase VIII de refroi- dissement sont dirigés, par des canaux qui seront décrits plus loin, vers les brûleur s à flamme libre de la phase VII; d'au- tres départs d'air chaud, sont aménagés dans la phase VIII: cet air est dirigé vers les brûleurs moufles ou à flamme libre des zones précédentes par-un carneau supérieur Pl, ou par un car- neau inférieur P2, ou par les deux à la fois ; est mis en mouvement dans ces carneaux par la pression thermostatique qui règne en VIII, par la pression créée par les souffleurs opposés situés aux extrémités du tunnel et par la dépression qui peut être développée dans le moufle.
Le long d'une partie de la phase III et le long des phases II et I court un collecteur de fumées N dans lequel dé- bouchent des départs de fumées placés à la partie inférieure du four : D1 dans la phase I, D2, D3 dans la phase II, D à la limite des phases II et III; ce collecteur reçoit également par D5 et D6 des fumées provenant du moufle M Il peut être avanta- geux de le diviser en deux tronçons N, N1 par un mur K placé entre les débouchés des départs D2, D3. V1 est le ventilateur d' exhaure monté à l'extrémité du collecteur N. Dans l'exemple de la figure 1, il aspire les fumées du tronçon N1 et les refoule dans le tuyau Tl qui après le registre R aboutit à la cheminée d'exhaure Ci.
Sut le tuyau Tl s'embranche avant le registre R un tuyau horizontal Tf muni lui aussi d'un registre.
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Vers l'extrémité du tronçon N s'embranche un tuyau vertical T3 dans lequel le ventilateur V3 aspire des fumées chaudes pour les refouler dans le tuyau horizontal Tc situé au-dessous du tuyau T . Ces deux tuyaux sont réunis par des chambres de mé- lange W, w1, W2, W3 contrôlables par des registres R1 dans lesquelles s'effectue un mélange réglable de fumées froides prc venant de Tf et de fumées chaudes provenant de Tc. Sur ces chambres s'embranchent les conduites qui réintroduisent dans les phases I et II l'air de recirculation. Enfin les tuyaux Tc Tf aboutissent à des cheminées d'exhaure partielle C2 C3.
L'entrée du four en Ai communique avec un ventilateur V2 qui aspire dans le four et refoule dans le tuyau T2 qui dé- bouche dans le tuyau horizontal Tf en arrière du registre de ce tuyau. La sortie Al communique également avec le collecteur N1 par un tuyau à registre T4.
On va maintenant décrire plus en détail, phase par phase, l'organisation du four.
La température de la phase I est réglée par le départ réglable de fumées D1 combiné avec une réinjection en F de fu- mées chaudes à température contrôlée provenant de la chambre de mélange W, par l'aspiration A1 de ces fumées à l'entrée même du tunnel au moyen du ventilateur V1 et par le refoulement de fumées opéré par le souffleur S1 au début de la phase suivante TT
Dans la phase II, la température est réglée par les brûleurs à flamme libre Bl et par les départs de fumées D2 D3, par le départ de fumées D4 de la phase suivante et par les ré- introductions à la partie'supérieure du four dans les souffleurs S1 S2 S3 de fumées à température contrôlée provenant des cham- bres W1 W2 W3 ... Les souffleurs sont orientés dans la direc- tion de la sortie du four.
Le ventilateur V2 peut dans certains cas être suppri- mé et les ventilateurs V1 et Va être utilisés seuls pour assu-
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rer la recirculation et l' exhaure.
Le contrôle de la phase LLI, est assuré par l'emploi de moufles mouflant les fumées chauffantes, par l'interruption des moyens de chauffage sur la longueur L entre les brûleurs à flamme libre de la phase II et les moufles, par les départs de fumées D5. D6 des moufles. A ces moyens de contrôle s'ajoute le choix de'lanature des parois des moufles et de leur épais- seur, et l'emploi d'un ou plusieurs brûleurs Bn en flamme mou- flée.
Dans la phase IV le chauffage est assuré par les flam mes mouflées des brûleurs Bm débouchant dans les moufles et au besoin par des brûleurs à flamme libre tels que B1 débouchant dans le tunnel. Si une atmosphère particulière doit être formée et maintenue entre les deux points x et y, les brûleurs à flam- me libre B1 peuvent déterminer cette atnosphère en x et les gaz en résultant être évacués en y pour être introduits dans les moufles en E. Dans les moufles un brûleur peut coïncider appro- ximativement avec la limite des phases IV et V, en vue de frei- ner l'échange de chaleur au droit du brûleur avant la formation de la flamme.
On a, en outre, la faculté de freiner l'action de ce brûleur en choisissant la nature et l'épaisseur des parois Ai, moufle, au début du développement de la flamme et d'étendre ain- si, en fin de la phase IV, selon qu'il peut être nécessaire, les conditions de la phase suivante.
La phase V peut être aménagée en vue d'un accroisse- ment limité de la température dès la fin de la phase précédente comme il vient d'être indiqué et en freinant l'effet du brûleur suivant en fin du développement de sa flamme par les mêmes mo- yens, c'est-à-dire en choisissant la nature et l'épaisseur des parois du moufle en vue d'obtenir une conductibilité relative- ment faible, désignée par la lettre 1 sur la figure 1. Le même brûleur dont l'effet de fin de flamme peut être freiné en i,
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dans la phase V, peut agir en corrélation avec la phase VI sui- vante sur une certaine longueur du développement de sa flamme avec une activité accrue au maximum en choisissant la nature et l'épaisseur des parois du moufle pour une grande conducti- bilité. Cette région est désignée par la lettre ± sur la fi- gure 1.
On voit que le moufle s'adapte aisément avec ces dispo- sitioné, aux échanges thermiques exigés pour chaque phase.
La phase VI peut commencer au cours du développement de la flamme d'un brûleur mouflé comme il vient d'être expli- qué; la température y est réglée par le réglage normal des brû- leurs de la phase suivante et par la constitution des parois du moufle qui seront choisies aussi conductrices qu'il pourra être nécessaire, pour assurer la transmission de la chaleur avec l'intensité exigée par cette phase; celle-ci correspond en effet à une élévation de température qui peut être rapide et dans certains cas doit être aussi rapide que possible. Bien entendu des brûleurs à flamme libre peuvent être adjoints dans cette phase aux brûleurs moufles.
La phase VII est celle qui correspond au maintien de la température de cuisson avant refroidissement. Des brû- leurs à flamme libre sont placés en G (figure 1) par exemple à la partie supérieure du four, à la limite même des deux phase VI et VII; comme on le voit sur les figures 1, 2 et 3 ils sont alimentés en gaz combustible par les canaux G et en air combu- rant par les canaux qui leur amènent de l'air provenant de la zone de refroidissement voisine VIII. La flamme se produit aux points de débouché de l'air. L'air froid qui tend à passer par convection de la région VIII à la région VII est ainsi ar- rêté et utilisé comme agent comburant dans les brûleurs G.
D' autre part pour éviter le rayonnement nuisible de la région VIT vers la région VIII, un écran Z est placé à la limite des deux phases VII et VIII entre le profil de la change circulant sur les wagonnets et le profil du four; il s'oppose au rayonnement
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entre VII et VIII. Les conduits qui amènent l'air aux brû- leurs à flamme libre à travers l'écran Z sont à parcours brisé pour éviter le rayonnement. Au lieu d'un seul écran, on peut employer plusieurs écrans séparés les uns des autres par de faibles intervalles.
La phase VIII est la phase du début de refroidisse- ment. Limitée du côté de la phase finale de cuisson par l'écran Z, elle est reliée à cette phase comme il vient d'être dit par les canaux Q. Elle est d'autre part reliée aux brûleurs mou- flés et aux brûleurs à flamme libre des zônes précédentes par les carneaux Pl P2.
La phase IX est la phase de refroidissement final.
Il y est aménagé un dispositif de recirculation de l'air, ana- logue à celui qui est installé dans la zône de préchauffage; l'air est prélevé dans le tunnel à la base des charges, à tra- vers les orifices O1 O2 O3 au moyen du ventilateur V'3 aspirant dans le collecteur C; il èst réinsufflé au sommet des'charges par les souffleurs S'1 S'2 orientés vers le centre du tunnel.
Les dispositions qui viennent d'être décrites dans l'exemple précédent peuvent être complétées par la combinaison du chauffage électrique avec les autres modes de chauffage. On pourra adjoindre des résistances électriques soit au moufle, soit aux brûleurs à flamme libre et particulièrement dans la Zô- ne des brûleurs à flamme libre de préchauffage. Les résistances seront aménagées de préférence conformément aux dispositions décrites pour le cas d'un four-tunnel simple dans la demande de brevet français déposée le 10 avril 1941 par la Société E.I.C.T. et la Société Heurtey et Cie, intitulé "Procédé de reciroula- tion pour fours industriels".
Les éléments chauffants sont dis- posés derrière une télé créant cheminée d'appel et formant écran entre ces éléments et la charge à cuire, circulant sur wagonnets; à la base des résistances débouche une amenée d'air chaud de ré-
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cupération en provenance du carneau supérieur Pl partant de la zône VIII de refroidissement. On réalise ainsi un thermosi- phonnage aidé par la pression positive déterminée au centre du tunnel par l'opposition des deux soufflages de reoirculation et par l'effet de cheminée dû au logement des résistances chauffantes derrière la paroi écran.
Les détails des dispositions qui viennent d'être dé- crites uniquement à titre d'exemple peuvent bien entendu être modifiés de' diverses manières sans sortir du cadre de l'inven- tion.
REVENDICATIONS
EMI15.1
---------- *, ------- r- ------7
1 - Four-tunnel à chauffage mixte par brûleurs à flemme libre, brûleurs moufles et résistances électriques ca- ractérisé par le fait que ces modes de chauffage ainsi que les diverses sources d'énergie fournissant la chaleur, gaz riche ou huile, gaz pauvre, courant électrique sont répartis et co- ordonnés le long du four de manière à intervenir chacun de la façon la plus conforme à ses propriétés dans la réalisation de la courbe température-temps établie pour la cuisson du matériau considéré et à contrôler dans chaque zône de chauffage la com- position de l'atmosphère du four.
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Improvements to mixed heating tunnel kilns
The various varieties of tunnel kilns are generally classified into three broad categories. the first includes blister-flame ovens, the second so-called direct-flame or free-flame ovens, the third electrically heated ovens. This third category can in certain respects come under the category of ovens with blown flame, since it does not include an open flame in contact with the products to be cooked.
To the preceding categories, however, an additional category must be added, that of mixed-heating ovens where the three preceding heating modes or two of them are used.
The general shortage of fuels, and on the other hand
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the general trend, in all countries, towards electric heating should develop the mixed system with additional electric heating.
The present invention applies to mixed heating tunnel kilns; it consists in applying to each region of the oven the heating mode and the heating energy source which are best suited to this region, with a view to making the best use of the respective advantages of these heating modes and of these sources of heat. energy with regard to the temperatures to be developed and the action to be exerted on the products; this distribution is combined with adjustments organized so as to make it possible to follow in a rigorous way, throughout the furnace, the temperature-time curve established for the firing of the material considered, and to control in each heating zone the composition of the atmosphere.
During the firing of a ceramic paste, for example, the dehydration phases, the allotropic transformations of silica, the dissociation of sulphates, the expansions, etc. are all causes of accidents. within the temperature-time curve to be maintained; account must also be taken of the favorable or unfavorable action of a given atmospheric environment, which varies according to the cooking temperature. In one. open flame tunnel oven, baking products in an open load, that is to say without protecting them and enclosing them in closed cassettes, it is very difficult to satisfy all these conditions.
This is why the blown-flame tunnel kiln has had to be used in a large number of applications, despite its particular constraints due to the special nature of the walls of the muffles and despite its lower thermal efficiency Other, nént says , a more or less important sacrifice had to be made both on the initial price of the oven and on the cost of cooking; this is precisely one of the drawbacks that the invention proposes to avoid.
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The arrangements of the invention use the advantages of double-walled mittens with screens to limit direct radiation from the heated wall to the products in high temperature areas, and to locally regulate the heat exchange by nature, the shape and arrangement of the walls, and by affixing it against these walls with shielding pads of suitable thickness and conductivity. They use the advantages of the free flame for the constitution of the interior atmosphere of the tunnel by allowing the best location of this atmosphere in a flow of fumes moving towards its exhaust. They also use the advantages of electric heating by applying it to the places where it best suits with the automatic settings it includes.
They coordinate for their best use the various heat energies supplied in the form of rich gas or oil, lean gas, electric current, etc ...; this best use being the justification of the mixed-heating tunnel kiln, the aim of which is to achieve uniformly, in the same cross section of the load, the temperatures and the suitable atmospheres at each point of the temperature-time curve, at using heating energies from various sources, used in the best conditions of efficiency and yield.
They locate exactly the best position of use of these energies, for example the use of rich fuels, gas or oil, at the highest temperatures of the curve, and the use of lean fuels or electric current at the temperatures. lower of the curve that suits it best.
The invention also has the useful effect of eliminating certain defects which in themselves the various heating modes, taken in isolation or even in combination, present.
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The flame blown over the entire length of the preheating zone is not very effective at the end of the run, that is to say at the start of preheating, the mass of the heating gases being reduced by the fumes required to adjust the curve. temperature during preheating and the heat transmission through the refractory walls of the muffle being relatively low if the flue gas temperature is already sufficiently lowered. If, on the other hand, this temperature is kept high, the fungus will leave the muffle with too many calories, resulting in insufficient oven efficiency. The increase in conductivity of the walls of the muffle in this zone (metal walls for example) is a suitable means of improvement, but in certain cases only, and which can lead to expensive maintenance.
Correcting these defects, in order to provide, in place of the muffle which has become ineffective, the relatively large quantity of calories to be supplied at these temperatures, the invention uses, in areas of average temperatures, that is to say from 200 to 5000 C approximately, either the open flame, or the electric heater particularly suitable at those temperatures where the metallic heating resistances last a very long time.
But this use, to be fully effective and not to cause harmful overheating of the upper part of the tunnel at the entrance to the furnace, must be coordinated: on the one hand, with recirculation arrangements as provided for in French patent 822,305 of May 27, 1937 which in the preheating zone ensure the temperature equalization between the top and the bottom of the loads by taking gases from this zone at the lower part of the furnace in order to re- introduce an adjustable fraction at suitably staggered points at the top of the oven; these provisions allow the use of auxiliary heaters - (burners or heaters
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heating tances) - acting in an area very close to the tunnel entrance;
near the high temperature end of this medium temperature zone, it is generally advantageous to also reintroduce, in a similar fashion, hot fumes taken in the muffle or at the outlet of the muffle, the muffle playing then the same role as the collector of the fumes after leaving the tunnel in the furnaces heated entirely by free flame, on the other hand, with recirculation arrangements taking hot air at the start of the cooling zone and preferably at the top of the oven, to direct it outside the tunnel, towards the preheating zone or towards the burners of the preceding zones, using for this purpose the thermostatic pressure which prevails at the upper part cooling zone, or any other means;
these arrangements being themselves combined towards the end of the cooling with a recirculation of the air between the lower part and the upper part of the cooling zone, where the air taken from the bottom of the furnace is reinjected by blowers oriented towards the center of the tunnel; the pressure of these blowers placed in this way at the outlet of the furnace can be adjusted in relation to that of the inlet blowers to benefit from pressurizing the tunnel in the central areas favoring the departure of hot recovery air . This pressure setting also helps to determine the general direction of movement of the atmosphere in the furnace.
Beyond the zone ending around 5000 for example, one or more critical zones should be considered, corresponding in particular, in ceramic firing, to the transformations of silica, or to the withdrawals of transformation into biscuits, etc ... and in metallurgical firing at ... successive phases of metallurgical transformations.
In these critical areas, the acceleration of the temperature rise of the products must be rigorously regulated, and it is also necessary to
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be to avoid the disturbing influence of the zones of anont where higher temperatures are developed and in which can or must prevail determined atmospheres, often different from those which are suitable for said critical zones To this end, the invention provides, for these critical zones, .19 use of the blown flame or of the electric heating, combined with that of the free flame, limiting the action of the latter to being only a supplement to the action of the muffle or the heating electric;
at the same time, it provides for the evacuation in the mittens of all or part of the fumes which circulate in these zones. It is thus possible to control with precision the temperature rise in the critical zones, by using the electric adjustment, or the adjustment of the heating effect of the walls of the muffle; this depends on their exchange surface, their thickness and their conductivity and can be adjusted by interposing screens of suitable thickness and conductivity placed between these walls.
The free flame being reduced to an auxiliary role, as well as will be seen in the high temperature zones as in the critical zones, we no longer ** 4 evacuate in the preheating zones and in particular in those which correspond to the critical temperatures, considerable masses of smoke at high temperature; this reduced mass of fumes can be discharged into the mittens where they still act effectively, taking into account the above adjustment means.
In the final cooking zone, where the highest temperatures prevail, the role of heating by free flame is also reduced, as has just been said, to a supplementary role. This avoids the too intensive action always to be feared from the direct radiation of free flames on the products. In this area, the muffle heating or the electric heating are used to create a strong additional heat, but at a temperature below the maximum temperature to be achieved, and however as high as the calorific value allows.
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of the fuel used or the resistance of the electrical resistances and the conductivity of the walls of the muffles.
Free flame heating only intervenes, in combination with the other heating modes, to create the necessary peak or plateau of temperature. Under these conditions, it only gives a reduced volume of smoke. The association of the free flame with the muffle heating, in the high temperature zone, makes it possible to use less highly conductive materials for the muffles in this zone, and therefore less expensive than in the case of heating by muffle alone.
In any tunnel oven, the cooling zone adjacent to the high-temperature cooking zone exerts an influence on the latter which is manifested by direct radiation or by convection of relatively cold air. According to the invention, this harmful influence is combated by the following provisions.
Open flame burners placed at the very edge of the two zones use the relatively cold air which comes from the cooling zone as oxidizer. They are fed by air intakes baffled in a refractory screen separating the two zones and opposing the radiation; these air inlets direct the air to the best possible combustion.
In the zone of the start of cooling, the abovementioned sample also takes place of a determined volume of heat-siphoned hot air outside the tunnel to be reintroduced into the preheating zone.
In the end-of-cooling zone, the invention provides for recirculation of the air taken from the lower part of the furnace and re-injected into the upper part by blowers oriented towards the center of the tunnel.
These arrangements are combined, contributing in part, with the regulation of the general movement of displacement of the atmosphere in the tunnel, thanks to which the volume of hot air passing directly from the zone is regulated in particular.
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cooling to the cooking zone.
In fact, the movement of the atmosphere in the tunnel can be regulated by combining, with the negative pressure in the muffle system by the exhaust fan, the combined action on the interior atmosphere of the tunnel. tunnel of recirculation blowers of the cooling zone located respectively on the entry side and the exit side of the tunnel and directed in the opposite direction. Adjusting the pressures of the two blowing systems makes it possible to create a flow movement at a determined speed in the direction going from the outlet to the tunnel inlet.
On the other hand, the means described make it possible to produce and locate in a determined zone an atmosphere of desired composition, either oxidizing, neutral, or reducing, despite the general flow of fumes. For example, a reducing atmosphere will be created by placing additional open flame burners in the desired locations, suitably combined with the use of other heating methods, with the introduction of fumes into the muffles or the final exhaustion. all or part of the said smoke outside the tunnel; thanks to this, the suitable composition of the atmosphere can be maintained in the envisaged zone and in the adjacent zones.
It is in this way that it is possible, in particular, to ensure the carburization of faienoe pastes by dissociation of the carbonic acid into carbon dioxide and carbon at the most suitable temperature.
If it is a question of maintaining an oxidizing atmosphere, this will also be achieved by judicious use of the heating means, possibly combined with the addition of an excess of hot recovery air.
By way of example, the application of the invention to a tunnel oven intended for the firing of ceramic products will be described with reference to the accompanying drawing.
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Figure 1 is a schematic longitudinal section of the oven; Figure 2 is a cross section taken along line 2-2 of Figure 1; Figure 3 is a section taken on 3-3 of Figure 2.
The cooking of the product in question comprises, for example, the succession of the following phases; I - Start of heating: evaporation of free water and combination water. The temperature rise is slow.
II- Continuation of preheating; the increase in temperature can be relatively faster than in phase I and must be much faster than in the following phase.
III - Critical phase of silica transformations.
IV - Phase where the increase in temperature can be more rapid than in the previous phases, but where for example, the atmosphere until then kept oxidizing must be kept neutral or reducing.
V - Phase where the last transformations of matter take place, for example the last rapid dehydration.
VI - Rapidly increasing temperature phase.
VII - Maximum temperature phase to be maintained for a longer or shorter time in a generally oxidizing atmosphere.
VIII- Phase of the start of cooling which must not react on the previous phase.
IX - End of cooling phase.
Phases I, II, III constitute the preheating,. phases VIII and IX cooling.
The invention does not include any particular provision for the intermediate cooling phases, these have been omitted.
The furnace is heated in the zones corresponding to phases III, IV, V, VI, and VII by the muffle. in which the muffle burners Bm emerge; to the action of these burners
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is associated that of burner s with free flame Bl opening into the tunnel in phase IV and burner s with free flame at the limit of zones VI and VII.
Free flame burners B1 are also placed in phase II and separated from the origin of the muffle M by an unheated interval L of suitably calculated length.
In this example, electric heating is not used.
Hot gases coming from phase VIII of cooling are directed, by channels which will be described later, towards the free flame burners of phase VII; other hot air outlets are installed in phase VIII: this air is directed to the muffle or open flame burners of the preceding zones by an upper flue Pl, or by a lower flue P2, or by both at the same time; is set in motion in these flues by the thermostatic pressure which prevails in VIII, by the pressure created by the opposing blowers located at the ends of the tunnel and by the depression which can be developed in the muffle.
Along part of phase III and along phases II and I runs a flue gas collector N in which the flue gas outlets placed in the lower part of the oven emerge: D1 in phase I, D2, D3 in phase II, D at the limit of phases II and III; this collector also receives fumes from muffle M via D5 and D6. It may be advantageous to divide it into two sections N, N1 by a wall K placed between the outlets of outlets D2, D3. V1 is the exhaust fan mounted at the end of manifold N. In the example of figure 1, it sucks the fumes from section N1 and delivers them into the pipe Tl which after the register R ends in the chimney of exhaure Ci.
Sut the pipe Tl branches before the register R a horizontal pipe Tf also provided with a register.
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Towards the end of section N is branched a vertical pipe T3 into which the fan V3 sucks hot fumes to deliver them into the horizontal pipe Tc located below the pipe T. These two pipes are joined by mixing chambers W, w1, W2, W3 controllable by registers R1 in which an adjustable mixture of cold fumes prc coming from Tf and hot fumes coming from Tc takes place. These chambers branch off the pipes which reintroduce the recirculation air into phases I and II. Finally, the Tc Tf pipes end in partial dewatering stacks C2 C3.
The inlet of the furnace at Ai communicates with a ventilator V2 which sucks in the furnace and discharges into the pipe T2 which opens into the horizontal pipe Tf behind the register of this pipe. The output Al also communicates with the collector N1 by a pipe with register T4.
The organization of the furnace will now be described in more detail, phase by phase.
The temperature of phase I is regulated by the adjustable flue gas outlet D1 combined with a reinjection at F of hot flue gases at a controlled temperature coming from the mixing chamber W, by the suction A1 of these fumes at the inlet itself. of the tunnel by means of the fan V1 and by the discharge of smoke operated by the blower S1 at the start of the next phase TT
In phase II, the temperature is regulated by the open flame burners Bl and by the flue gas outlets D2 D3, by the flue gas outlet D4 of the following phase and by the re-introductions to the upper part of the oven in the temperature-controlled smoke blowers S1 S2 S3 coming from chambers W1 W2 W3 ... The blowers are oriented in the direction of the oven outlet.
The V2 fan can in some cases be omitted and the V1 and Va fans can be used alone to provide
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stop recirculation and dewatering.
Control of phase LLI is ensured by the use of muffles blowing the heating fumes, by interrupting the heating means along the length L between the free flame burners of phase II and the muffles, by the outlets of smoke D5. D6 mittens. In addition to these control means, there is the choice of the planar nature of the walls of the muffles and their thickness, and the use of one or more burners Bn in soft flame.
In phase IV, the heating is provided by the flames flames from the Bm burners opening into the muffles and, if necessary, by open flame burners such as B1 opening into the tunnel. If a particular atmosphere is to be formed and maintained between the two points x and y, the free flame burners B1 can determine this atnosphere in x and the resulting gases be evacuated in y to be introduced into the muffles in E. In the muffles a burner can coincide approximately with the limit of phases IV and V, in order to slow down the heat exchange in front of the burner before the formation of the flame.
We also have the ability to slow down the action of this burner by choosing the nature and thickness of the walls Ai, muffle, at the start of the development of the flame and thus extend, at the end of the phase. IV, as may be necessary, the conditions for the next phase.
Phase V can be arranged with a view to a limited increase in temperature from the end of the previous phase as has just been indicated and by slowing down the effect of the next burner at the end of the development of its flame by the same means, that is to say by choosing the nature and thickness of the walls of the muffle with a view to obtaining a relatively low conductivity, designated by the letter 1 in FIG. 1. The same burner whose the end of flame effect can be slowed down at i,
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in phase V, can act in correlation with the following phase VI over a certain length of the development of its flame with an activity increased to the maximum by choosing the nature and the thickness of the walls of the muffle for a high conductivity. This region is denoted by the letter ± in Figure 1.
It can be seen that the muffle easily adapts with these arrangements to the heat exchanges required for each phase.
Phase VI can begin during the development of the flame of a mouflé burner as has just been explained; the temperature is regulated there by the normal adjustment of the burners of the following phase and by the constitution of the walls of the muffle which will be chosen as conductive as may be necessary, to ensure the transmission of heat with the intensity required by this phase; this in fact corresponds to a rise in temperature which can be rapid and in certain cases must be as rapid as possible. Of course, free flame burners can be added in this phase to the muffle burners.
Phase VII is that which corresponds to maintaining the cooking temperature before cooling. Free flame burners are placed at G (FIG. 1), for example at the top of the furnace, at the very limit of the two phases VI and VII; as can be seen in FIGS. 1, 2 and 3, they are supplied with combustible gas via the channels G and with combustion air via the channels which supply them with air coming from the neighboring cooling zone VIII. The flame occurs at the air outlet points. The cold air which tends to pass by convection from region VIII to region VII is thus stopped and used as an oxidizing agent in the G burners.
On the other hand to avoid harmful radiation from the VIT region to the VIII region, a screen Z is placed at the limit of the two phases VII and VIII between the profile of the exchange circulating on the wagons and the profile of the oven; he opposes radiation
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between VII and VIII. The ducts which bring the air to the open flame burners through the screen Z have a broken path to avoid radiation. Instead of a single screen, several screens separated from each other by small intervals can be employed.
Phase VIII is the start of cooling phase. Limited on the side of the final cooking phase by the screen Z, it is connected to this phase as just said by the channels Q. It is also connected to the muffle burners and the flame burners. free from the previous zones by the flues Pl P2.
Phase IX is the final cooling phase.
An air recirculation device is fitted there, similar to that installed in the preheating zone; the air is taken from the tunnel at the base of the loads, through the orifices O1 O2 O3 by means of the fan V'3 sucking into the collector C; it is re-blown at the top of the loads by the blowers S'1 S'2 oriented towards the center of the tunnel.
The arrangements which have just been described in the preceding example can be supplemented by the combination of electric heating with the other heating modes. Electric resistances can be added either to the muffle or to the free flame burners and particularly in the zone of free flame preheating burners. The resistors will preferably be fitted in accordance with the arrangements described for the case of a simple tunnel oven in the French patent application filed on April 10, 1941 by the E.I.C.T. and the Heurtey et Cie Company, entitled "Recirculation process for industrial furnaces".
The heating elements are placed behind a TV creating a call fireplace and forming a screen between these elements and the load to be cooked, circulating on wagons; at the base of the resistors opens a supply of hot re-
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cuperation coming from the upper flue Pl starting from the cooling zone VIII. A thermosiphonage is thus carried out aided by the positive pressure determined at the center of the tunnel by the opposition of the two recirculation blows and by the chimney effect due to the housing of the heating resistors behind the screen wall.
The details of the arrangements which have just been described by way of example only can of course be modified in various ways without departing from the scope of the invention.
CLAIMS
EMI15.1
---------- *, ------- r- ------ 7
1 - Mixed-heating tunnel kiln by free flemish burners, muffle burners and electric resistances characterized by the fact that these heating methods as well as the various energy sources supplying heat, rich gas or oil, poor gas, electric current are distributed and co-ordinated along the furnace so as to intervene each in the way most in accordance with its properties in the realization of the temperature-time curve established for the firing of the material considered and to be controlled in each heating zone the composition of the furnace atmosphere.