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"Avant-foyer pour chaudières, fours ou autres appareils similaires"
Les avant-foyers actuellement existants se classent en deux catégories : ceux à axe horizontal, cylindriques, dans lesquels la circulation de lteau de refroidissement par thermo- siphon est très peu active et ceux à axe vertical, de forme pris- matique où cette circulation est plus intense, mais qui, au voisi- nage des arêtes vives présentent de brusques changements de di :- rection, provoquant des chutes de vitesse' et des remous dans le courantd'eau de refroidissement,
Ces deux catégories présentent les mêmes inconvénients de surchauffes looales et d'entartrage rapide, particulièrement au voisinage des lignes de soudure., qui sont la source d'avaries fréquentes.
De plus, les avant-foyers à axe horizontal ont un encombrement important en avant des chaudières.
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La présente invention concerne un avant-foyer pour chaudiè- res à vapeur ou à eau chaude, fours ou appareils similaires, basé sur un principe entièrement différent, qui permet d'échapper aux inconvénients ci-dessus.
Cet avant-foyer est caractérisé par une enceinte cylindri- que à axe vertical, à double enveloppe à circulation d'eau, for- mant chambre de combustion, et raccordée à l'appareil d'utilisa- tion : chaudière ou four; disposition qui assure, par suite de l'activité des mouvements de convection de l'eau chaude le long des parois verticales, une circulation intense et régulière par thermo-siphon de l'eau de refroidissement, évitant les surchauffes locales et les entartrages, et qui en même temps réduit au mini- mum l'encombrement de l'avant-foyer en avant de la chaudière, ce qui facilite l' équipement des chaufferies de chauffage central, d'immeubles ou d'appartements.
L'invention s'étend à cette caractéristique générale en elle-même, que l'avant-foyer soit alimenté automatiquement en combustible solide par gravité, soit qu'il fonctionne avec un brûleur au mazout ou à gaz.
L'invention concerne aussi un sodé de réalisation de l'avant-foyer précédent caractérisé par une tuyère à étages mul- tiples d'amenée d'air dans l'enceinte à axe vertical formant cham- bre de combustion, ces étages pénétrant à des profondeurs diffé- rentes dans l'enceinte, de sorte que les becs de cette tuyère, disposés en gradins, soient à des distances à peu près constantes de la surface libre du combustible, cette disposition assurant ainsi à la fois une très large ventilation et une combustion en couche mince, d'épaisseur sensiblement uniforme, facilitant le maintien d'une dépression convenable dans le foyer, et permettant de réduire au minimum la dépense de force motrice nécessaire à la propulsion de l'air comburant.
Cette disposition coopérant en outre avec la forme cylindrique verticale de l'enceinte, pour réa- liser un avant-foyer très ramassé, occupant un emplacement minimum pour une puissance calorifique déterminée devant la chaudière qu'il équipe.
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L'invention concerne aussi, d'une manière générale, dans un avant-foyer ou un foyer quelconque, une tuyère à étages multiples d'amenée d'air, cette tuyère formant monobloc et étant montée de façon amovible dans l'enceinte de l'avant-foyer, les étages, disposés en gradin de cette tuyère, pénétrant à des pro- fondeurs différentes dans la masse de combustible et à une distance peu près constante de la surface extérieure de celui-ci, à tous les étages, cet ensemble amovible pouvant être aisément mis en place dans l'enceinte, puis retiré pour visites, réparations, é- ohanges, eto....
L'invention concerne aussi un avant-foyer caractérisé parce que la .tuyère est montée dans l'enceinte formant chambre de combustion, de manière que son plan médian x x' fasse avec le plan médian y y' de la buse de sortieun angle fortement supérieur à 90 et avec le plan médian z zt de la porte de visite, un angle très inférieur au premier, ce qui d'une part assure un acheminement aisé des gaz enflammés, sans coude brusque et presque sans change- ment de direction, vers la buse de sortie et d'autre part évite tout retour de flammes vers la porte de visite.
Un autre avant-foyer conforme à l'invention est carac- térisé par la combinaison avec une même buse de plusieurs tuyères réparties sur la périphérie de l'enceinte formant chambre de com- bustion, de telle sorte que le courant de gaz enflammés résultant de l'action combinée de ces tuyères, se dirige naturellement vers de buse sans aucun risque de retour de flammes vers la porte.
L'invention concerne aussi d'autres caractéristiques ci-après décrites et leurs diverses combinaisons.
Des avant-foyers confirmes à l'invention sont repré- sentés à titre d'exemple sur les dessins ci-joints dans lesquels : - La figure 1 est une vue en perspective de l'ensemble d'une chaudière de chauffage central et d'un avant-foyer conforme à l'invention.
- La figure 2 est une coupe verticale de l'avant-foyer par un plan diamétral passant par la ligne II - II de la figure 1.
- La figure 3 estune coupe horizontalede l'avent-
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foyer suivant la ligne III - III de la figure 2.
- La figure 4 est une vue en perspective du corps de foyer à double enveloppe nu, sans son embase indépendante et avant montage des pièces accessoires : tuyère, goulotte, portes, etc....
- La figure 5 représente une coupe verticale, à plus grande échelle, du dispositif de réglage de l'épaisseur de la couche de combustible au-dessus des tuyères.
- La figure 6 est une coupe partielle de la figure 5 suivant la ligne VI - VI de celle-ci.
- Les figures 7 et 8 sont respectivement une coupe transversale et une coupe longitudinale de la tuyère monoblôc, à étages multiples, à refroidissement par air, dont on trouve une coupe longitudinale à plus petite échelle dans la figure 2.
- La figure 9 est une coupe de la buse de racoordement de l'avant-foyer à la chaudière et de réchauffage de l'air secon- daire additionnel.
- Les figures 10 et LL sont deux vues de face et de profil d'une tuyère à étages multiples, d'une réalisation diffé- rente, à refroidissement par eau.
- La figure 12 donne le schéma de circulation de l'eau de refroidissement de l'embase indépendante et de la tuyère à lames d'eau des figures 10 et 11.
- La figure 13 est une coupe verticale axiale d'un autre avant-foyer conforme à l'invention.
- Les figures 14 et 15 représentent deux plans-coupes d'avant-foyers conformes à l'invention, montrant la disposition des tuyères sur la périphérie d'avant-foyers de moyenne et grande puissance.
L'avant-foyer représenté par les figures de 1 à 6, est constitué de trois groupes d'organes essentiels, & savoir :
1 ) L'enceinte formant chambre de combustion.
2 ) La tuyère à étages multiples d'admission d'air.
3 ) La buse de raccordement de l'avant-foyer à la chaudière et de réchauffage de l'air additionnel.
L'enceinte 1 formant chambre de combustion est constituée
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par une double paroi métallique cylindrique verticale à circula- tion d'eau, fermée à sa partie supérieure par un fond à double enveloppe soudé sur celle-ci et faisant corps avec elle, ce double fond étant refroidi par la même circulation dteau et portant la tubulure 3 de sortie d'eau réchauffée.
L'autre extrémité du corps tubulaire à un seul fond ainsi constitué et qui se présente sortant de fabrication et avant montage sous la forme d'un gobelet renversé échancré (figure 4), repose sur une embase rapportée indépendante 4 avec interposition d'un joint étanohe aux gaz, Cette embase est constituée ici par un fond à double enveloppe à circulation d'eau.
Le corps tubulaire ou cylindre foyer est découpé par diverses ouvertures ménagées dans la double enveloppe (figure 4), pour recevoir les organes complémentaires décrits ci-après, qui viennent s'y embotter et s'y ajouter, c'est à dire la tuyère à étages multiples et la goulotte de descente du combustible, placée au-dessus d'elle, la porte de décrassage et la buse de raccordement,
L'enceinte cylindrique formant chambre de combustion est alimentée automatiquement en combustible provenant d'une tré- mie 5 par une goulotte de descente du charbon 6 au-dessus de la- quelle se trouve monté un distributeur 7, avec obturateur 8, des- tiné à régler la descente du combustible et à isoler quand il y . a lieu la trémie du foyer;
l'obturateur 8 fonctionnant comme un robinet à passage direct.
La goulotte 6 d'amenée du combustible est munie d'un moyen de réglage qui règle la hauteur du talus naturel d'éboule- ment du combustible et par suite l'épaisseur de la couche de ce dernier à traverser par l'air de combustion, en fonction de sa nature et de sa perméabilité. Ce,-moyen de réglage est par exemple réalisé (figures 5 et 6) par un bec coulissant 61 solidaire d'un curseur 6, se déplaçant le long d'une échelle graduée fixe, dispositif qui permet de contrôler à tout instant la hauteur de l'arête inférieure de la goulotte 6 qui forme seuil de déversoir inversé et par suite de régler à la demande, la hauteur du talus et l'épaisseur de la couche mince de combustible.
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Cette disposition d'enceinte cylindrique à axe vertical à double enveloppe à circulation d'eau, présente de multiples avan- tages, vis à vis des avant-foyers connus, verticaux ou horizontaux, notamment les suivants :
1 ) elle procure une circulation intense et régulière par thermo-siphon de l'eau de refroidissement, beaucoup plus active que sur les appareils cylindriques horizontaux, le déplacement naturel de l'eau par différence de densité étant plus rapide sur une paroi verticale que sur une paroi horizontale, d'où refroidis- sement optimum des parois du foyer, ce qui met celui-cià l'abri de toute détérioration causée par les températures très élevées d'une combustion à allure poussée, et suppression d'une source importante d'entartrages.
D'autre part, par suite de l'absence des arêtes vives des foyers prismatiques et des ouvertures étroites pratiquées dans les foyers connus pour les entrées d'air de com- bustion, cette disposition équilibre les efforts internes dûs à la dilatation et supprime les autres sources d'entartrages.
Ainsi, l'avent-foyer décrit ci-dessus se trouve à l'abri des avaries fréquentes occasionnées, par ces différentes causes, surchauffes locales et entartrages, aux autres avant-foyers actuels.
2 ) Le disposition ci-dessus adoptée permet de réduire au minimum l'encombrement de l'avant-foyer en avant de la chaudière, comme il est visible sur la vue perspective figure 1, le cylindre vertical prenant bien moins de place que celui placé horizontalement et la forme cylindrique réduisant l'emplacement pris et facilitant au surplus l'accès à la façade pour la visite et les ramonages de la chaudière.
3 ) Enfin, la constitution de l'enceinte par une double enve- loppe cylindrique, à axe vertical, fermée à la partie supérieure par un fond à double paroi, faisant corps avec cette double enve- loppe, ouverte à la partie inférieure et reposant à cette extrémité sur une embase indépendante réalisée sous forme d'un fond-à double enveloppe, rend plus accessible les soudures à exécuter sur le fond supérieur et le long des ouvertures ménagées dans l'enceinte pour recevoir les tuyères, la buse et la porte de visite.
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Le dispositif d'introduction d'air dans la chambre de combustion est constitué par une tuyère 9, à étages multiples 91, 92, 93, à refroidissement par air, alimentée en air sous très faible pression provenant d'un ventilateur 30, par l'intermédiaire d'un collecteur 10.
La forme de cette tuyère, dont les becs s'avancent en gradins vers la base du tube foyer, est établie de façon à répar- . tir l'air de combustion en nappes sensiblement horizontales et parallèles et à le faire déboucher à chaque étage d'insufflation à une distance à peu près constante de la surface libre du combus- tible 3,
Grâce à la ventilation très abondante, et largement diffusée dans toute la masse du combustible, et à l'épaisseur faible et régulière de celui-ci à traverser par le vent sur toute la hauteur du talus, cette disposition assure une combustion en couche mince, complète et uniformément répartie, avec la consom- mation minimum de force motrice et facilite le maintien d'une dépression convenable dans le foyer.
Les conditions optima de cette combustion permettent de brûler à l'intérieur du foyer les combustibles les plus divers; quelles que soient leur teneur en matières volatiles, leur format et leur perméabilité.
Cette disposition coopère en outre avec la forme oylin- drique verticale de l'enceinte formant chambre de combustion, pour réaliser un avant-foyer très ramassé occupant un emplacement mini- mum devant la chaudière qu'il équipe.
La tuyère à étages multiples est avantageusement consti- tuée par un ensemble monobloo métallique, monté de façon amovible dans l'enceinte de ltavant-foyer, cet ensemble amovible pouvant être mis aisément en place et retiré pour vérification, échange ou réparation.
Cette tuyère monobloc à étages multiples est générale- mentconstruite (figures 7 et 8) en forme de caisson comportant plusieurs voiles ou plateaux superposés, lisses ou nervures 71. p 72,73, disposés a peu près horizontalement et entre lesquels sont
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ménagées les lumières ou fentes de soufflage par lesquelles l'air est insufflé par le ventilateur en plusieurs nappes approximative- ment parallèles.
Cette tuyère, dont la section longitudinale rappelle le profil de la grille à gradins est refroidie par la circulation mené de cet air de combustion,
Le raccordement de l'enceinte de combustion 1 de l'avant- foyer avec la chaudière est réalisé au moyen d'une buse 11, repré- sentée en détail sur la figure 12, qui est en soi conforme celle déjà décrite dans le brevet français du demandeur n 870.003 du 13 février 1941.
La buse de raccordement 11 répond au double but de rac- corder la chambre de coribustion du foyer à l'intérieur de la chau- dière (laquelle joue alors le rôle de chambre de détente des gaz) et d'assurer l'introduction d'une quantité convenable d'air addi- tionnel sur les gaz enflammés à leur débouché du foyer, après son réchauffage à une température assez élevée pour provoquer ltinflam- mation certaine de tous les composés volatils combustibles qui pourraient subsister dans lesdits gaz.
Pour répondre à ce dernier objet, cette buse comporte des dispositifs appropriés d'aspiration et de réchauffage d'air secondaire et présente une sections très inférieure à la section intérieure de l'enceinte de combustion de l'avant-foyer.
Du fait de cette réduction de section et de l'accroisse- ment de vitesse prise par les gaz dans la buse, il se produit une dépression notable autour.de la veine gazeuse dans la zone où celle-ci subit son/étranglement [maximum, dépression grâce à laquel- le l'air secondaire additionnel est aspiré spontanément et débouche dans cette zone par les orifices 13, ménagés à cet effet, à l'abri de lèvres spéciales 14, destinées à empêcher l'introduction des suies par ces orifices.
La buse est constituée par deux sections accolées, le section arrière dite de réchauffage 15, et la section avant dite de distribution 16, lesquelles sont entourées d'une enveloppe tubu- laire ménageant une chambre extérieure de préchauffage 17, cette
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chambreextérieure de préchauffage comportant une entrée d'air spontanée commandée par clapet équilibré 18, généralement doublée d'une Entrée d'air soufflée par le ventilateur, La section de réchauffage 15 de la buse communique par une ouverture appropriée avec la chambrede préchauffage constituée par l'enveloppe exté- rieure, elle est munie d'ailettes pour faciliter la transmission de chaleur et le réchauffage intense de l'air additionnel.
Cette section de récheuffage communique d'autre part avec la section de distribution dans laquelle l'air additionnel accomplit son dernier parcours avant d'accéder aux orifices 13 et de déboucher sur la vaine gazeuse, animé d'un fort mouvement tourbillonnaire, communiqué par ses parcours circulaires succes- sifs, favorable à son mélange intime avec les gaz chauds.
La section de distribution elle-même se raccorde à la chambre cylindrique de combustion du foyer par une surface conique 11, de façon à diminuer la résistance opposée à l'écoulement des gaz, par suite de leur changement de direction et de la réduction de leur section de passage.
Grâce à ces diverses dispositions, l'air secondaire réchauffé dans les trois sections est en traînéà l'intérieur de la buse, suivant f.l, sous l'effet de succion provoqué par la réduc- tion de section, et débouche en tourbillonnant par les orifices 13 sur la veine f.2 de gaz brûlés provenant de la chambre de com- bustion, assurant de ce fait la combustion complète de toute trace de gaz combustible pouvant subsister dans la masse gazeuse enflammée provenant du foyer.
Par suite de cette opmbustion complète, la buse ci- dessus décrite, coopère avec l'ensemble de l'enceinte cylindrique formant chambie ce combustion et avec les tuyères à étages mul- tiples, pour constituer un avant-foyer de rendement optimim et par suite d'encombrement minimum pour une puissance donnée,
L'enceinte 1 formant chambre de combustion comporte également une porte de visite et de décrassage 20 (figure 3).
Conformément à la présente invention, la tuyère 9, la buse 11 et la potte de visite 20 occupent, les unes par rapport
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aux autres, les positions relatives particulières représentées sur la figue 3.
Le plan médian x x' de la tuyère 9 fait un angle obtus de 120 à 1400 environ, avec le plan médian y y' de la buse et un angle,4 inférieur au précédent et Généralement voisin de
90 avec le plan z z' de la porte de visite, les positions res- pectives de ces trois plans médians étant bien visibles sur la fignne 3.
Cette disposition assure l'avantage suivant : Les gaz chauds provenant de la combustion dans l'avant-foyer soit as- pirés, à leur débouché du tas de combustible,par le tirage natu- rel de la cheminée et s'acheminent ainsi aisément vers la sortie du foyer,c'est-à-dire vers la buse,sans coudes brusques et presque sans changement de direction.
Etant donné la position du plan médian de la porte par rapport au plan médian de la tuyère et l'écoulement naturel des gaz vers la buse,tout retour de flammes vers cette porte devisite est pratiquement impossible.
On peut apporter de nombreuses modifications à l'avant- foyer ci-dessus décrit à titre d'exemple,principalement ence qui concerne la construction, le nombre et la position des tuyères à étages multiples, suivant la puissance calorifique del'avant-feyer, l -Aulieu de prévoir une tuyère 9 à étages multiples à refroidissement dtair, on peut également prévoir (figures 10 et 11) un ensemble pouvant être dénommé tuyère à lames dteau,constitué par plusieurs pièces métalliques creuses à bec arrondi 211 zl2 213 214,superposées, reliées les unes aux autres,à chacune de leurs extrémités, par des bôltes collectrices 23, entre lesquelles sont ménagées les passages 9,9, 1 293 pour l'introduction de l'air provenant du ventilateur.
L'ensemble est parcouru parun courant d'eau de refroidissement provenant de l'embase 4 pénétrant par l'orifice inférieur 24 d'un des collecteurs, circulant dans les différents étages de la tuyère, quittant cette tuyère par lorlfice supérieur 25 du collecteur opposé, et se rendant enfin dans la canalisation de départ de la chaudière ou dans le circuit général
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d'eau chaude ou de vapeur ( figure 12 ).
Ce mode -de circulation de l'eau de refroidissement des tuyères à lames d'eau offre une très grande efficacité à cause de l'extrême activité de cette circulation due au fait que l'eau est prise dans l'embase au point le plus bas de toute l'installation où elle est la plus froide et soumise aux plus faibles tempéra- tures et se trouve amenée directement dans les différents étages des tuyères d'où elle repart après échauffement sur le collecteur de départ de la. chaudière, c'est à dire au point de débouché du fluide à plus haute température. On réalise ainsi entre la prise et la sortie dteau de refroidissement, le plus grand écart de tem- pérature donnant au thermo-siphon son énergie dynamique maximum.
2 - On peut également construire la tuyère à étages multi- ples à refroidissement d'air sous une forme différente de celle décri- te plus haut et représenté figures 1,?,8,9,10; par exemple, lif- gure 13) sous forme. d'une tuyère centrale symétrique 30 à conduit axial d'introductioin d'air 31 avec deux rangées d'orifices super- posés 321 322 323 disposés de part et d'autre du conduit axial, un plateau supérieur 33 à dos arrondi recouvrant l'étage supérieur de soufflage et facilitant une répartition uniforme des grains de char- bon sur les deux flancs de la tuyère.
Cette tuyère est alors placée dans 1 taxe de l'avant-foyer cylindrique., emboîtée dans un logement approprié, ménagé dans l'embase 4, et elle est alors surmontée dtune goulotte 6 desservie par trémie centrale.
3 - Tandis que les appareils de petite puissance ne comportent comme le foyer précédemment décrit et représenté (figures de 1 à12) qu'une seule tuyère à étages multiples 9,les avant-foyers plus importants possèdent deux ou plusieurs tuyères, surmontées chacune dtune goulotte d'alimentation de- combustible et convenablement ré- parties sur la périphérie du tube foyer.
La figure 14 représente par exemple en plan un autre avant-foyer conforme à l'invention et caractérisé par deux tuyères 9a et 9b, à étages multiples, disposées de part et d'autres du plan médian y yt qui passe par la buse de sortie des gaz brûlés et lar la porte de visite, ces deux tuyères 9a et 9b étant dispo-
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sées de manière que leurs plans médians xx' fassent avec la direc- tion de l'axe de la buse x' y' un angle obtus Ó, tandis que l'angle fait avec l'axe de la porte de visite x' y est aigu et nettement inférieur à l'angle précédent.
Ainsi, les deux veines de gaz enflammés fe et fb qui débouchent de la zone des tuyères se trouvent naturellement aspirées par le tirage de la cheminée, vers la buse 11 et se réunissent entre elles suivent deux courants convergents, sans coudes brusques et sans se contrarier, éliminant ainsi tout risque de retour de flammes vers la porte de visite et de décrassage 20.
La figure 15 représente un autre avant-foyer conforme à l'invention possédant trois tuyères 9a, 9b, et 90, convenablement disposées. Ces trois tuyères donnent naissance à des courants de gaz enflammés ta, fb et fo, dont la résultant* R1, sous l'influ- ence prépondérante de l'entraînement provoqué par le courant fb, est dirigé vers le buse de raccordement 11, de sorte que ce cou- rant Rl de gaz enflammés s'achemine naturellement vers la buse, sans coude brusque et presque sans changement de direction, tout retour de flammes vers les portes de visite 201 et 202 étant de ce fait rendu impossible.
Enfin, la forme du foyer et son mode de fonctionnement peuvent également être nodifiés.
D'une part, le foyer peut affecter une forme légèrement tronconique au lieu de la forme normale complètement cylindrique, avec un angle au sommet du cone très faible.
D'autre part, l'avant-foyer peut fonctionner entièrement par tirage naturel, soit en augmentant les sections de passage de l'air, à la fabrication, soit en cours de fonctionnement, en réduisant au moyen du réglage de l'arête de la goulotte, l'épais- seur de la couche mince traverser par l'air de combustion.
En résuné, on réalise, conformément à l'invention., un avant-foyer d'un encombreuent minicum, pour chaudières de chauffage central ou autres applications pouvant s'adapter également à des fours qui assure une combustion aussi régulière et aussi complète que possible, avec une dépense minime de force motrice.