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La présente invention concerne le chauffage par combustion de gaz et vise spécialement un procédé pour chauffer rapidement des substances dans une enve- loppe protectrice grâce à la combustion de gaz.
Dans la production en grande quantité d'ar- ticles dont une surface doit être soumise à la chaleur, il existe habituellement à l'époque actuelle un "goulot" de production du fait de l'absence d'une tech- nique de chauffage sûre et suffisamment rapide pour faire face à la production des équipements productifs "Procédé de chauffage,"
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adjacents. Comme exemple de ceci on peut citer la fer-. meture de paquets revêtus de pellicules scellées à la chaleur.
Dans une situation dont on a eu connaissance, des paquets comportant un revêtement fait d'une pelli- cule de polyéthylène peuvent être scellés avec l'équi- pement actuel à la cadence d'environ 40 paquets à la minute seulement du fait qu'il faut environ 1 seconde et demie pour "activer" ou amollir convenablement par la chaleur le revêtement de pellicule plastique sur les rabats de chaque paquet lorsque le paquet passe devant un dispositif de chauffage. Les producteurs de ces paquets ont fait diverses tentatives pour aug- menter cette production mais avec peu de succès.
Non seulement les méthodes.classiques sont relativement lentes, mais il y a en outre une perte importante et continuelle de pellicule de revêtement du fait de l'oxydation et de l'évaporation pendant la durée de chauffage. En outre, quand on accélère les procédés classiques pour obtenir une production de
40 cartons à la minute, la structure de support (par exemple en carton) subit souvent des dégâts superfi- ciels. Il est pour cette raison de pratique courante dans le domaine de l'emballage, par exemple, de re- vêtir les cartons avec une épaisseur de 0,025 mm de . polyéthylène ou d'une autre matière plastique, afin qu'à la fin de l'opération on ait, après le scellement à la chaleur une épaisseur de seulement 0,013 mm de matériau activé.
Avec un équipement de production à grande vitesse cette perte représente des sommes
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considérables, En outre, avec les techniques de chauf- fage classiques, le taux de rebut dû aux bottes abîmées et à des fermetures médiocres est très impor- tant. De plus, l'équipement de fermeture sous pres- s3,on qui vient après les dispositifs de chauffage n'est normalement employé qu'à une fraction de sa capacité normale du fait de l'existence du "goulot" dans le stade précédent de chauffage de la pellicule.
Les brûleurs classiques provoquent souvent une surchauffe de l'équipement qui est placé près d'eux dans le dispositif de production. Ceci est principalement dû au rayonnement de chaleur provenant de la surface chaude du brûleur. En fait, ces brûleurs classiques ne peuvent pas réaliser un chauffage local intense sans rayonner de la chaleur tout autour.
Autant qu'on le sache, on trouve les mêmes limitations dans d'autres domaines que celui de l'em- ballage, par exemple dans la liaison de feuilles de plastiques, dans l'imprégnation de feuilles de tissus avec du plastique fondu, dans le durcissement par cé- mentation de métaux, dans la soudure à l'argent, dans le préchauffage de soudure, dans des procédés de sécha- ge et dans de nombreux autres domaines.
La. présente invention se propose en consé- quence de fournir : un procédé de chauffage qui puisse multi- plier par un nombre très grand la.vitesse de chauffage de surface que l'on obtient avec les procédés actuel- lement en usage, et augmenter ainsi le taux de ferme- ture à la chaleur et de pénétration par la chaleur.
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Ce procédé nouveau permet le ramollisement par la chaleur ou "activation" d'une pellicule superficielle d'un matériau telle qu'une matière plastique ou une cire en environ 1/10 de seconde ou moins, durée qui est à comparer avec la durée d'au moins 1 seconde et demie ou plus correspondant aux techniques antérieures ; un procédé de chauffage permettant d'amener la surface à la température désirée rapidement et dans une atmosphère protectrice créée par le procédé de chauffage. Aucune oxydation importante ou autre perte de substance chauffée ne se produit ainsi. En outre, la chaleur produite est si uniforme et réglable avec une telle précision que les dégâts superficiels pro- voqués sur le matériau de support par une distribu- tion inégale de chaleur ou par oxydation excessive sont pratiquement éliminés, par exemple dans les pro- cessus d'emballage.
Quand on emploie ce procédé, le revêtement de pellicule, par exemple de polyéthylène sur un carton, peut être fait dès le début à l'épais- seur que l'on désire obtenir à la fin du procédé. En d'autres termes un paquet comportant un revêtement de matériau non activé d'une épaisseur de 0,013 mm sera à la fin de l'opération recouvert de matériau activé ayant sensiblement une épaisseur de 0,013 mm. Les économies résultantes dues à l'augmentation considé- rable du taux de production, à l'élimination de la mise au rebut par dégât de surface et par fermeture médiocre, et à la diminution sensible des dépenses d'un matériau de revêtement coûteux, ont une importance extrême.
On peut réaliser des économies analogues dans d'autres
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processus qui nécessitent l'emploi de chauffage ; un procédé de chauffage où la température à-laquelle doit être chauffé le matériau peut être réglée avec précision tout en protégeant le matériau de l'oxydation par contact avec l'air ; un procédé de chauffage permettant de ne pas utiliser de flamme ouverte d'épaisseur notable et de ne pas exposer le matériau à une chaleur de rayon- nement infra-rouge, si on le désire, tout en réalisant un procédé rapide sans exposition à l'air.
Ces buts de la présente invention ainsi que d'autres apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite avec références'aux dessins an- nexés, sur lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective d'une forme de brûleur pouvant être employée avec le procé- dé nouveau de la présente invention ;
La figure 2 est une vue en-coupe de l'appareil représenté sur la figure 1 ;
La figure 3 est une vue en coupe montrant une légère modification du brûleur de la figure 1 et du chauffage d'un matériau;
La figure 4 est une vue en élévation latérale d'un stade d'emploi typique du procédé nouveau de la présente invention ; et,
La figure 5 est une vue explosée en perspec- tive du brûleur représenté sur les figures 1 et 2.
L'invention consiste fondamentalement à for- mer une enveloppe continue de gaz de combustion à tem- pérature élevée dans une région en faisant passer les
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gaz dans une couche poreuse pour qu'il y ait combus- tion dans la région, puis à faire pénétrer dans l'en- veloppe le matériau à chauffer.
L'invention comprend spécialement un prooé- dé de chauffage rapide d'un matériau, telle qu'une substance fusible comme une matière plastique ou cire, et comprend les stades consistant à réaliser un mé- lange de gaz combustibles sous pression, à faire pas- ser les gaz sous forme finement dispersée à travers une matière réfractaire uniformément poreuse, et de préférence fibreuse, sous une pression suffisante pour que les gaz sortent uniformément à la surface de ladite matière avec une vitesse importante, à faire brûler les gaz à la surface ou près de la surface et à former une enveloppe continue de gaz de combustion, sans flamme, à température'élevée, ayant une épaisseur importante sur la surface de la matière réfractaire,
et à faire passer dans les limites de ladite enveloppe continue un matériau à chauffer de façon à chauffer rapidement le matériau sans'qu'il soit exposé à l'oxy- gène contenu dans l'air. Il est souhaitable dans de nombreux cas, non seulement de réaliser l'enveloppe de gaz sans flamme, mais également d'éliminer la cha- leur infra-rouge en comprimant légèrement la couche fibreuse de réfractaire jusqu'à ce que la chaleur in- fra-rouge disparaisse.
En se reportant maintenant aux dessins, on emploie un brûleur 10 pour mettre en pratique le pro- cédé nouveau de l'invention. Le brûleur comprend un carter 12 et une conduite 14 d'alimentation en mélange combustible gazeux comportant une vanne appropriée 18
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pour faire pénétrer dans le carter un gaz combustible tel qu'un gaz hydrocarbure et un gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air comprimé. Les gaz préalablement mélangés sont fournis sous pression à une chambre de pression 20 située dans la partie basse du carter 12. Ils passent d'une manière uniformément dispersée à travers une couche massive 24 de matière réfractaire fibreuse 24.
Cette matière est de préférence formée de fibres d'alumine et de silice, bien plus fines qu'un cheveu humain de préférence d'environ 3,5 microns de diamètre et a une texture et une porosité uniforme.
Les fibres sont liées avec une petite quantité d'un matériau liant de façon suffisante pour assurer la stabilité des fibres et pour donner à la couche une consistance lui permettant de se supporter d'elle-même, L'agent liant peut être organique ou céramique, pourvu qu'il ne s'écoule pas quand il est chauffé de façon à colmater les interstices minuscules existant dans la couche. Un matériau liant typique est composé d'ime quantité s'élevant jusqu'à 3 % d'une résine phénolique, par exemple une résine de phénol-formaldéhyde. Cette couche peut avoir à volonté une épaisseur variant d'sn- viron 1,6 mm à environ 50 mm ou davantage, selon l'emploi particulier visé, tant que la porosité, la densité et l'épaisseur sont uniformes dans toute l'é- tendue de la couche.
On peut former les fibres à l'aide d'un jet de vapeur à partir d'alumine et de silice fondues, Elles sont dispersées au hasard dans une couche, de préférence en proportion 50/50 et elles sont garnies
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d'un liant. On comprime alors la couche à l'épaisseur et à la densité désirées. On la cuit pour faire mûrir le liant. Une densité typique pour une pression gazeuse comprise entre 12,7 et 254 mm d'eau et pour une épais.. seur d'environ 12,7 mm est d'à peu près 48 kg/m3. On peut faire varier cette densité dans de larges limites selon l'emploi du procédé de chauffage, et selon l'é- paisseur de l'enveloppe de gaz de fumée désirée.
Une matière que l'on a reconnu être particulièrement inté- ressante est celle qui est vendue par la société dite Johns Manville Company., de Manville, Etat de Ne-Jersey, Etats-Unis d'Amérique, sous la marque déposée "CERAFELT".
On peut construire de la manière suivante le brûleur représenté sur les figures 1,2, et 4, com- prenant une forme qui peut permettre de réaliser le procédé de chauffage. Le carter 12 comporte un fond ouvert et une ouverture sur le dessus entourée par une collerette p4riphérique de maintien 26. La couche fibreuse 24 est de préférence co-extensive à l'ouver- ture. Avant d'insérer la couche fibreuse dans la co- quille du carter 12, on commence par sceller complète- ment la couche à l'intérieur d'une paroi périphérique 11 à l'aide d'une couche d'adhésif formant scellement 13. Cet adhésif peut être n'importe quel adhésif appro- prié pour les hautes températures, mais consiste de préférence en une substance ayant pour base le même matériau que la couche fibreuse.
On a ainsi reconnu que des fibres de silice et d'alumine broyées en sus- pension dans un véhicule approprié, habituellement
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inorganique, et auquel on a donné des qualités d'ad- hérence et de scellement, donne satisfaction. Un tel matériau est vendu sous la marque déposée "CERA KOTE" par la Société dite Johns Manville, de Manville, New-Jersey, Etats-Unis d'Amérique, On s'arrange pour que la couche fibreuse fasse légèrement saillie vers le haut en dehors de la coquille, comme il est repré- senté sur la figure 5 d'une manière exagérée.
La paroi enveloppante 11 a un diamètre plus petit que les parois de la coquille 12, habituellement, étant donné qu'elle est juste un peu plus grande que l'ouverture du dessus, C'est pourquoi il y a un jeu de cales d'espacement, par exemple 15 et 22, qui sont fixés par exemple par soudage aux quatre c8tés de la bordure périphérique 11 afin de fixer son emplacement dans la coquille 12. Ces cales d'espacement agissent également pour comprimer la couche fibreuse d'une façon qu'on expliquera plus loin.
Te tamis 30 a un diamètre qui déborde net- tement en dehors de l'ouverture supérieure et qui s'étend habituellement jusqu'aux parois du carter, Ce tamis sert à comprimer la couche fibreuse étant donné que le bord supérieur de la paroi 11 est pressé en contact avec le tamis et la collerette 26 quand elle est insérée dans le carter, Le fond 21 du carter est fixé par soudage sur la coquille afin de maintenir le matériau comprimé par contact avec le bas des cales d espacement, par exemple 22.
Pour obtenir un écoulement de gaz uniforme sans fuite sur les bords, il convient d'appliquer un
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matériau d'étanchéité 23 tout autour de la périphérie de l'ouverture supérieure (fig. 2) afin d'effectuer une fermeture hermétique entre la paroi 11 et la col- lerette 26. Ce matériau d'étanchéité doit être un ma- tériau pour hautes températures tel qu'un matériau d'étanchéité métallique classique. On a reoonnu qu'une suspension de cuivre colloïdale convient bien à cet effet étant donné qu'elle réalise une fermeture her- métique et qu'elle résiste à des températures très élevées.
Un tel matériau est vendu sous la marque déposée "FEL-PRO CSA" par la Société dite "Felt Products
Manufacturing Company", de Skokie, Etat d'Illinois, Etats-Unis d'Amérique,
On a représenté sur la figure 3 une variante constituée par une structure dans laquelle la couche fibreuse 124, en un seul bloc, déborde de l'ouverture supérieure dans le carter. 112 de façon à s'ajuster d'une manière serrée contre la collerette périphérique
123. Une cale d'espacement annulaire 122 maintient en position la couche. La couche est scellée sur sa bordure périphérique et le long de son bord supérieur par une couche 129 de produit de scellement tel que le "CERA KOTE" décrit ci-dessus.
On a reconnu qu'avec ce type de brûleur et de procédé,on peut, en faisant varier la compression de la couche réfractaire fibreuse telle qu'elle est installée dans le carter, régler la quantité du rayon- nement infra-rouge sur la surface du brûleur pendant le fonctionnement entre un maximum et un état dans lequel on élimine la totalité du rayonnement infra-rouge,
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En fait le brûleur, quand on le fait fonctionner à une température allant jusqu'à 109 C apparaît effec- tivement sombre sur sa surface chaude.
Ce n'est qu'en regardant la surface dans le sens transversal qu'on peut détecter une couche extrêmement mince de flamme bleue,
Conformément au procédé de la présente in- vention, une fois que les fibres d'alumine et de si- lice ont été assemblées pour former un bloc et ont été comprimées pour prendre la forme d'un feutre avec liant possédant l'épaisseur, la dimension, la densité et la forme désirées, ce feutre est placé dans un brûleur pour définir en-dessous de lui une chambre de pression.
Pendant le fonctionnement, quelles que soient les dimensions du brûleur ou sa forme, on a reconnu que le matériau uniformément poreux, avec ses myriades d'orifices de surface comprenant des in- terstices entre les fibres, possède une résistance suffisante à l'écoulement de gaz pour que les gaz in- troduits dans la chambre 20 soient distribués uni- formément sur la surface du feutre sans qu'il y ait besoin de déflecteurs et qu'on peut les faire passer ainsi d'une manière uniforme sous forme de myriades de petits jets minuscules voisins. La vitesse des gaz sortants est importante. On a reconnu qu'une pression gazeuse supérieure à 12,7 mm d'eau est satis- faisante pour un feutre ayant une épaisseur de 12,7 mm, et une densité d'environ 48 kg/m3, pour obtenir une combustion uniforme,.
On peut-faire varier considérable- ment cette pression,par exemple l'élever jusqu'à en-
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viron 254 mm d'eau ou davantage selon ce que l'on désire comme production de chaleur, température, et épaisseur de l'enveloppe de gaz de combustion (que l'on décrira plus loin). Cette pression, ainsi que la poro- sité et l'épaisseur de la couche déterminent la vitesse des gaz sortant de la surface extérieure du brûleur.
La combustion des gaz, avec le feutre réfractaire po- reux et fibreux, se produit juste avant la sortie de la couche ou sur la surface extérieure de la couche selon la compression à laquelle est soumise la couche extérieure de fibres. Quand la combustion a lieu avant la sortie, il y a une émission intense de chaleur sous forme d'infra-rouge. Si les fibres extérieures sont comprimées, le résultat en est une flamme extrêmement mince et presque sans couleur sur la surface, la flamme infra-rouge étant partiellement ou totalement éliminée, selon l'importance de la compression de la couche.
On doit noter qu'on doit soigneusement bou- cher toute piqûre d'aiguille ou trou minuscule d'un diamètre supérieur à l'ordre du micron, étant donné qu'un tel "trou d'aiguille" provoque la sortie de petites flammes qui peuvent s'étendre à une distance importante, de la surface, empêchant ainsi un échauf- fement uniforme et qu'on doit également ne pas laisser placer une substance combustible à moins d'un centi- mètre du brûleur, comme on le décrit ci-après.
Les gaz de combustion sortent avec une vitesse suffisante et d'une manière débordante de façon à créer sur toute la surface l'enveloppe 34 de gaz de combustion à haute température, l'enveloppe étant continue et ne contenant
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pas d'air. Cette enveloppe est dépourvue d'air exté- rieur et d'une manière générale est à une température qui varie selon son épaisseur, comme il est repré- senté sur la figure 2. On peut régler,l'épaisseur de cette enveloppe par la pression des gaz, l'épaisseur de la couche 24 et la porosité de la couche de façon à obtenir une enveloppe ayant une épaisseur quelconque variant de 3 à 25 mm environ.
Dans le procédé nouveau de 1,/invention on emploie cette enveloppe à haute température, épaisse, continue e t protectrice pour chauffer rapidement un matériau.
Par exemple, comme il est représenté sur la figure 3, on peut utiliser l'enveloppe 130 pour en- tourer une feuille laminée 150 d'un support (par exemple du carton dur ou du carton ondulé) comportant une couche fusible 152 telle qu'une couche de cire ou de matière plastique (par exemple du polyéthylène) que l'on doit "activer" ou ramollir, La distance du matériau à la surface extérieure 125 de la couche '-fibreuse 124 détermine la température à laquelle il est soumis. Il n'y a pas de flamme pour attaquer le papier ou le plastique et il est entièrement protégé de l'oxydation par l'enveloppe continue.
On a trouvé par des expériences répétées qu'on peut "activer" des revêtements tels que du polyéthylène placé sur des emballages en carton dans des intervalles de temps variant d'un dixième de seconde et moins de façon à permettre de les sceller à la chaleur convenablement par des techniques de pression. Par exemple, sur la figure 4, on scelle ensemble par pression appropriée deux feuilles 150' et 150". On a démontré à diverses
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reprises qu'avec des machines à fermer les emballages appliquant le procédé nouveau, on peut sceller les emballages au rythme de 180 par minute et davantage sans qu'il y ait de dommages extérieurs, avec une fermeture à la chaleur convenable et sans qu'il y ait apparemment de perte de matériau de revêtement du fait de l'oxydation etc...
Ceci est un contraste net avec les procédés antérieurs où l'on considérait . qu'une cadence de 40 emballages par minute était excellente, même lorsqu'on perdait la moitié de la couche de revêtement et qu'on sacrifiait un pourcen- tage considérable des cartons du fait de dommages de surface et de fermetures médiocres.
On doit noter qu'étant donné qu'il n'y a pas de flamme appréciable à la surface et que l'enve- loppe s'étend jusqu'à environ 25 mm de la surface, on peut placer directement les matériaux de carton ou d'autres matériaux combustibles à l'intérieur de l'enveloppe avec beaucoup moins de danger d'incendie.
En outre, si on le désire, on a constaté qu'on peut éliminer tout rayonnement infra-rouge de la surface de la couche fibreuse réfractaire en le comprimant d'une manière appropriée pour diminuer lentement le rayonnement infra-rouge jusqu'à ce qu'il disparaisse finalement, même si la température des gaz reste com- prise entre 316 et 982 C. L'importance de la com- pression nécessaire à cet effet varie avec l'épaisseur du matériau fibreux, la pression des gaz, le type de gaz brûlé, la densité, la porosité-du matériau fibreux, et le diamètre des fibres. Un technicien expérimenté
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pourra parfaitement déterminer comment comprimer graduellement le matériau de la façon désirée, par exemple entre des tamis appropriés, pour obtenir les résultats cherchés.
On doit noter que le matériau réfractaire employé pour former la couche massive de feutre doit être capable de résister à des tempé- ratures de plusieurs centaines de.degrés et de pré- férence s'élevant jusqu'à 1000 C. Ce doit être en outre un excellent matériau isolant de façon à isoler contre toute conduction de chaleur en sens inverse à travers la couche.
La chaleur résultante est très intense en raison de la combustion complète de l'absence de perte par énergie, lumineuse, de l'absence de perte ,appréciable par conduction, et des limites étroite- ment réglées de la zone de chauffage. Ceci permet de placer des pièces de machine très près de la ré- gion chauffée sans qu'il s'y produise des élévations importantes de température. En outre, les parties d'un article à traiter susceptibles d'être endom- magées par la chaleur peuvent s'approcher de très près de la région chaude sans qu'il y ait une éléva- tion de température importante.
On peut employer ce procédé pour de nombreux types de matériau et de traitements. Par exemple on peut conformer la région chaude de façon qu'elle s'adapte à des surfaces inhabituelles telles que celles de moules en coquilles pour y traiter et mûrir le liant résineux, on peut l'employer pour préchauf- fer une surface d'article métallique à souder, pour
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sécher des revêtements tels que des peintures ou pour de nombreux autres buts, comme il est évident.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode opératoire et aux exemples décrits et repré- sentés et peut recevoir diverses variantes entrant dans l'esprit et le cadre de l'invention.