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"Brûleur à gaz"
La présente invention concerne des brûleurs à gaz et plus particulièrement un brûleur à gaz fournis- sant une surface d'une dimension et d'une configura- tion désirables quelconques fournissant un chauffage continuel et uniforme à température élevée.
Une limitation sérieuse des brûleurs à gaz classiques est constituée par leur manque de facilité d'adaptation à un usage spécial. Le moulage d'un bloc céramique poreux auquel on donne des formes et des di- mensions inhabituelles implique de nombreuses limita- tions, Les constructions autres que les blocs cérami-
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ques coulés n'ont pas vraiment réussi à être acceptées commercialement en raison de leur manque général de fa- cilité de se-,vice et en raison de la confiance limitée qu'on peut leur accorder. Par exemple, des brûleurs com- portant un lit de particules non fondues tendent à se déplacer sous l'action de toute pression gazeuse appré- ciable, si bien que les gaz "percent" sous forme de courants de grandes dimensions. Ceci produit des jail- lissements ou jets de flammes de grandes dimensions.
En outre les matériaux doivent être capables de résister à des températures normales de fonctionnement d'environ 1095 0 et plus.
Une autre limitation du brûleur classique à bloc céramique poreux est constituée par la limitation de tem- pérature qu'imposent les problèmes de conductibilité thermique dans le sens de retour à travers la céramique.
Une conductibilité thermique excessive vers la chambre de mélange provoque un retour de flamme si la tempéra- ture au voisinage d la chambre de mélange devient un peu trop élevée. En outre, si la pression baisse net- tement à un moment quelconque pendant le fonctionnement, il se produira un retour de flamme dans le brûleur du type à bloc céramique, comme cela est bien connu. Non seulement il faut maintenir la pression au-dessus d'un minimum critique pour empêcher un retour de flamme avec des brûleurs de ce genre, mais les brûleurs classiques à bloc céramique ont également une pression de gaz ma- ximum très voisine de la pression minimum, ce qui définit ainsi un intervalle de fonctionnement étroit.
Ces brûleurs sont fabriqués soit pour travailler avec du gaz à haute pression, soit pour travailler avec du gaz
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à basse pression, l'intervalle de fonctionnement étant étroit. S'il y a des basses pressions de gaz avec un brûleur à haute pression, il se produit des retours de flamme. Si on impose une pression de gaz élevée sur un brûleur à basse pression, certaines parties du brû- leur peuvent effectivement exploser du fait que les structures manquent de la résistance mécanique nécessaire pour des résistances d'écoulement importantes et en outre la flamme sera facilement "soufflée" (c'est-à-dire s'éteindra facilement) avec la haute pression.
Il est important égalenient que, bien que le meilleur brûleur à bloc céramique poreux imaginé à présent soit à peu près exempt de retour de flamme quand il est convenablement fabriqué et quand il est adapté avecsoin à l'emploi dans des pressions de fonctionnement spéci- fiques, il donne facilement lieu à des retours de flam- me si on le fait fonctionner en dehors de ces conditions spéciales déterminées à l'avance.
Une autre limitation sérieuse concernant les brûleurs classiques est constituée par leur incapacité de chauffer uniformément une surface de grande dimension sans une distribution complexe d'écrans ou déflecteurs et de séparations. Même avec de tels déflecteurs, les tentatives pour créer un chauffage uniforme sur une grande surface n'ont été que peu couronnées de succès.
Ainsi, par exemple, l'idée de réaliser un brûleur couvrant toute une surface de paroi d'une chambre de séchage en fournissant un chauffage uniforme sur cette surface est considérée comme pratiquement impossible avec la technologie actuelle des brûleurs en raison de : 1 ) la dépense considérable que constituerait la
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réalisation ae blocs céramiques poreux de cette taille ; 2 ) la production inégale de chaleur émanant de ce brûleur, 3 ) la complexité des déflecteurs et le nombre d'admis- sions multiples de gaz nécessaires, et 4 ) d'autres pro- blèmes inhérents aux brûleurs actuellement en service.
Même si on inventait un brûleur ayant une surface rela- tivement grande, la température de fonctionnement serait relativement faible étant donné que les pressions ré- gnant derrière une telle grande surface seraient cri- tiques. En outre, une légère baisse de pression en-des- sous du minimum déterminé à l'avance dans une partie quelconque du brûleur pourrait provoquer un dangereux retour de flamme dans toute la région de la chambre de mélange.
Un autre facteur important concernant la tech- nologie des brûleurs d'aujourd'hui conc6nie l'expansion du marché des plastiques, On désire souvent chauffer la surface d'une feuille de plastique ou d'un revêtement fait d'une pellicule de plastique afin de ramollir le plastique et de lui permettre d'être scellé à la chaleur, lié à la chaleur ou de subir une opération analogue.
Les brûleurs actuels ne sont pas capables d'y parvenir à une allure rapide et d'une manière sûre et digne de confiance en raison des,limitations de température, de la présence de flammes (spécialement de flammes iné- gales sur la surface du brûleur), de la présence de rayonnements infra-rouges, de l'oxydation du plastique et en raison d'autres facteurs. Evidemment on ne peut i pas faire passer en sécurité le matériau à une distance de quelques millimètres de la surface du brûleur.
En outre, les brûleurs d'aujourd'hui ne sont
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pas capables d'appliquer un chauffage intense à une sur- face déterminée d'un objet sans chauffer par rayonnement et conduction des parties adjacentes de l'objet.
De plus on ne peut pas donner facilement et à peu de frais aux brûleurs actuels des formes d'une gran- de variété, par exemple la forme d'un fer à cheval ou une forme ayant un dessin inhabituel sur la surface du brûleur, ou employant trois parois d'un carter de brû- leur uomme surfaces chaudes ou avec une forme ondulée de surface de brûleur entre autres.
La difficulté et sou- vent l'impossibilité d'obtenir une distribution gazeuse uniforme sur la ou les surfaces de brûleurs empêche éga- lement d'adapter les structures de brûleurs connues au- jourdh'ui ; ces limitations empêchent un usage facile des brûleurs pour s'adapter de près à des formes d'ar- ricles inhabituels pour soudage, chauffage de pré-souda- ge, mûrissement de moules en coquilles, traitement ther- mique, séchage et diverses autres opérations sans que l'on surchauffe une partie locale quelconque de l'arti- cle,
La présente invention se propose en conséquence de fournir :
' - un brûleur à gaz du type à pression capable de fournir une chaleur complètement uniforme sur une surface désirée quelconque, et seulement à la surface, que ce soit une fraction de centimètre carré ou qu'il s'agisse de plusieurs mètres carrés. La surface peut en outre comporter un dessin de région chaude et de région intermédiaire froide si on le désire. Le brû- leur n'a pas besoin d'un déflecteur quelconque, - un brûleur fournissant un chauffage uniforme
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sur toute la surface d'une forme dèsirée quelconque, même si elle est spéciale.
La surface peut présenter des courbures dans deux ou trois dimensions, peut être ondu- lée, comprendre une deux, trois parois ou davantage d'un carter de brûleur, peut être de nature hémisphérique ou présenter n'importe quelle autre configuration désirée, Le brûleur émet une chaleur uniforme sur toute la sur- face de la configuration quelle qu'elle soit sans pro- jeter de flammes.
- un brûleur capable de fonctionner dans des intervalles de températures inhabituellement étendus, et dans des intervalles inhabituellement étendus de pro- duction de chaleur, étant donné qu'on peut le faire fonctionner dans un intervalle de pression inhabtuolle- ment large. La structure peut fonctionner à des pres- sions très élevées et à des débits très divers sans qu'il y ait soufflage ou sans que la structure périsse. Elle peut également fonctionner à basse pression sans retour de flamme. On a en réalité découvert après des expé- riences répétées et des semaines de rudes épreuves de toutes sortes infligées à la structure nouvelle de l'in- vention qu'il a été impossible de provoquer un retour de flamme avec le brûleur.
On ne connaît pas d'autre brûleur qui possède cette caractéristique remarquable.
Le brûleur s'éteint tout simplement quand-la pression tombe en-dessous d'un minimum faible. En dehors de la surface de température élevée le brûleur est froid sur tout le reste de la structure. L'arrière et les côtés de la structure peuvent même être touchés à la main sans. inconfort alors que la surface chaude est à une température s'élevant jusqu'à 1095 C.
La structure
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ne conduit pas la chaleur à une distance supérieure à quelques millimètres dans l'élément poreux en s'éloi- gnant de la surface la plus chaude du fait de ses ca- ractéristiques uniques, - un brûleur nouveau permettant un fonctionne- ment réglé avec soin, sans flamme à volonté, avec ou sans rayonnement infrarouge même à des températures s'élevant jusqu'à 1093 C. On peut faire passer des articles près de la surface du brûleur sans endommager leur surface ou sans courir le danger de changer leurs formes, Le brûleur peut fournir une enveloppe protectrice continue à haute température de gaz de che- minée s'étendant jusqu'à environ 25 mm de la surface du brûleur, ce qui permet un chauffage rapide et protégé de matériaux.
- un brûleur possédant les qualités ci-dessus et qui soit en outre remarquablement bon marché et d'une fabrication relativement simple.
Ces buts ainsi que d'autres apparaîtront à la lecture de la description suivante considérée en liaison avec le dessin annexé sur lequel :
La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une réalisation du brûleur à gaz ;
La figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale de partie du brûleur à gaz de la figure 1, et
La figure 3 est une vue en élévation latérale, partie en coupe, de l'ensemble de brûleur des figures 1 et 2.
Le brûleur à pression de l'invention comprend fondamentalement un carter, un dispositif d'admission
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dans le carter de mélange d'air et de gaz sous pression, au moins une ouverture dans la paroi ou le dessus du carter avec un dispositif de retenue périphérique et une couche auto-portante de matériau isolant réfrac- taire fibreux comprimé en un matériau du genre feutre, placé dans lecarter, maintenu fermement en position, et scellé sur l'ouverture, formant ainsi une paroi d'une chambre de pression située en-dessous à l'intérieur dudit carter.
La couche de nature monobloc et autopor- tante est formée par des millions de courtes fibres (de 1,6 à 12,7 millimètres de long) de matériau réfrac- taire d'un diamètre très petit afin de réaliser des myriades de passages cyant une dimension de l'ordre du micron pour constituer une surface comportent des my- riades de petits interstices minuscules adjacents d'un diamètre de l'ordre du micron, c'est--dire normalement invisibles à l'oeil nu. La couche est de préférence com- posée de fibres réfractaires d'alumine et de silice, par exemple par parties égales, les fibres ayant un diamètre de quelques microns (par exemple 3,5).
Les fibres sont dispersées au hasard dans la couche, sont rendues compactes et s'enchevêtrent du fait qu'on a comprimé les fibres et qu'on les a collées ensemble avec un liant employé en quantité s'élevant jusqu'à environ 3 % en poids. La couche est comprimée (par exemple par calandrage à la densité, porosité, et épaisseur désirées pour l'emploi considéré. La densité peut varier selon le rapport des matériaux, la pression de gaz employée et l'épais- seur.
Le critère important est la porosité uniforme et la consistance uniforme sans défaut de surface, ainsi que la dimension minuscule des pores, plut8t que la don-
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site, mais étant donné que ces facteurs sont pour tous les points de vue pratiques extrêmement difficiles à déterminer et définir avec précision, on indique la densité en relation avec les dimensions et les matériaux considérés. En,ayant ce renseignement comme base, un technicien expérimenté peut facilement déterminer le remplacement par d'autres matériaux équivalents en se basant sur ces renseignements eb sur la description du princip( de fonctionnement donnée.
On peut faire varier l'épaisseur d'environ 1,6 à environ 50 mm ou plus. On peut faire varier la densi- té des mélanges silice-alumine par exemple depuis envi- ron 0,032g/cm3 jusqu'à environ 6,2g/cm3. On peut faire varier la proportion d'alumine et de silice et dans cer- tains cas on n'a besoin d'employer qu'un seul de ces matériaux. On pourrait concevoir d'ajouter des matériaux supplémentaires ayant des caractéristiques analogues à un feutre de silice, ou d'alumine, ou composé des deux.
Le feutre doit être complètement scellé sur l'ouverture @u carter et est de préférence à peu près co-extensif à cette ouverture,
Le liant peut être de types différents, c'est-à- dire céramique ou résineux. La substance de liant spéci- fique n'est pas critique tant qu'elle ne s'écoule pas sous la chaleur pour colmater les interstices minuscules.
Le fait qu'un liant résineux, par exemple une résine phé- noliqua comme la phénol-formaldéhyde tend à se décompo.. ser à 204-316 C ne l'empoche pas d'être très intéres- santé étant donné que le feutre est soumis à des tem- pératures très élevées (jusqu'à 1095 C) mais seulement sur sa surface tout à fait externe en raison de ses
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excellentes qualités isolantes,
On peut mettre sous forme de fibres l'alumine! et la silice à partir du matériau fondu en récurant à un jet de vapeur d'une manière classique pour produire une fibre qui a environ 3,5 microns de diamètre et une longueur d'environ 1,6 à 12,7 mm.
On peut faire varier le diamètre ou la longueur pourvu qu'on confère au feutre résultant la consistance stable et les caractéristiques d'écoulement gazeux que l'on explique ci-après. Un maté- riau satisfaisant est le "Cérafelt" vendu par la Société
EMI10.1
dite vJaxins-Nlanv3.lle" de IJ10llville, New-Jersey, Etats-Unis d'Amérique.
Le feutre doit être scellé complètement et d'une manière étanche sur l'ouverture du carter. Toute fuite d'étanchéité autour du bord provoque des jets de flamme qui font que le brûleur ne mérite pas la confiance pour de nombreux emplois. Par exemple, si on désire souder un revêtement de plastique sur une feuille de papier en le faisant passer près du brûleur, les jets de flamme allumeraient le papier ou le plastique et gâteraient complètement le produit.
On découpe le feutre de façon à ce qu'il soit sensiblement oo-extensif à l'ouverture formant la surface de brûleur. On a découvert que si le feutre est plus grand que l'ouverture, c'est-à-dire déborde des arêtes de l'ouverture, les bords du feutre doivent être scellés sur le carter, autrement des gaz tondent à. sortir en grande quantité autour du bord de la couche de feutre du fait qu'il y a là moins de résistance à l'écoulement pour les gaz sous pression, Ceci provoque une bordure périphérique de flammes qui peut faire saillie de 6 mm
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ou plus autour de la surface du brûleur. Cette flamme est indésirable pour de nombreux emplois où l'article est placé très près du brûleur.
A l'intérieur du carter) en-dessous de la couche de feutre se trouve une chambre de pression où l'on intro- duit le mélange sous pression de gaz combustibles.
Les gaz combustibles peuvent comprendre un mélange d'un hydrocarbure gazeux et d'un gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air comprimé.Le ùiatériau de feutre pré- sente une résistance notable à l'écoulement gazeux en rai- son du fait que le gaz doit passer par des myriades de pe- tits passages tortueux minuscules ayant un diamètre de l'or- dre de moins d'un micron. Il s'ensuit que le mélange ga- zeux sous pression se trouvant dans la chambre de pression est distribue automatiquement ..... lune manière uniforme au dos de la couche fibreuse.
Les gaz en traversant la couche le font d'une façon très finement dispersée et uniformément distribuée sous òrne de myriades de petits courants ad- jacents à une vitesse considérable. Si la couche de feu- tre n'est pas comprimée pour provoquer une chute de prcf- sion importante,la combustion neuf ce produire avant l'émission des gaz -\ partir de la surface externe de la couche de façon a produire une chaleur de rayonnement infrarouge très élevée.On élimine complètement ce rayonnement infrarouge en comprimant le matériau de fa- çon à provoquer une chute de pression importante à travers la couche. En opérant ainsi on ne peut voir sur la surface qu'une flamme bleue extrêmement mince, et encore en regardant avec sain en travers de la surface de brûleur.
Les gaz de combustion sous pression sont émis 5 une vitesse notable à partir de toute la surface
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du brûleur et à des températures s'élevant jusqu'à 1095 C ou environ. Etant donna que toute la surface entretient la combustion en chacun de ces minuscules orifices, les gaz de combustion se fondent ensemble et forment une en- veloppe de gaz continue, sans air, et à haute température.
La couche de gaz de combustion peut varier de 6 mm en- viron à 25 mm ou plus à partir de la surface du brûleur.
Il est très important pour le fonctionnement du brûleur nouveau de l'invention, non seulement que tous les bords de la couche de,feutre soient scelles d'une manière absolument hermétique, mais également qu'il n'y ait pas à la surface du feutre de "trous d'épingle" d'un diamètre et d'une profondeur notable. De tels trous d'épingle ou défauts de surface (qui sont normalement vi- sibles) provoquent la création d'un jet de gaz qui éjec- te une flamme à une distance importante de la surface.
Ceci empêche l'utilisation adéquate et efficace et détruit l'effet de surface uniforme. On peut normalement les détecter à 1' oeil avant la mise en marche. Ils sont faciles à détecter pendant le fonctionnement du fait de la créacton de jets ou languettes de flammes. Il faut boucher avec soin ces trous d'épingle quand ils se produisent ou de préférence il faut remplacer le feutre qui les présente par un feutre qui n'en possède pas.
Ainsi il est important que le matériau de feutre soit uniforme dans toute son étendue, et que les fibres soient réunies fermement en masse dans la couche afin d'avoir des positions stables quand elles sont soumises à une pression importante dans la chambre de pression. Si la pression régnant dans la chambre de pression est seu- lement celle que provoque le mélange d'air atmosphérique
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et d'un jet de gaz, la chute de pression à travers le feutre empêchera totalement tout débit appréciable, et le brûleur s'éteindra. Cette Grande chute de pression est importante p:.ur le fonctionnement du brûleur.
Pour cette raison les gaz doivent être mélangés préalablement, c'est-à-dire l'air ou l'oxygène doivent être mélangés avec le gaz combustible afin de former un mélange explo- sif qui est refoulé à l'état déjà mélangé dans la chambre sous pression.
On a découvert qu'on peut faire varier la pres- sion dans un intervalle large, le brûleur répondant sim- plement avec une production de chaleur différente et une température de surface différente au lieu de Manifester des réactions indésirables. Par exemple, on a fait varier la pression sur les brûleurs en une pression é- qui val ente à 2 mm d'eau/cm2 à 60 mm/cm2, sans interrom- pre le fonctionnement du brûleur, Avec une couche de 12,7 mm d'épaisseur de feutre de silice-alumine à 50/50 ayant une densité d'environ 0,048 g/cm3, l'emploi de pressions inférieures à 2 mm d'eau/cm2 amène la vitesse des gaz qui traversent le feutre réfractaire à diminuer dans une mesure telle que le brûleur s'éteint.
Cette pression minimum varie pour des couches de dimensions et de densités différentes. On ne fait normalement jamais fonctionner le brûleur à une pression si faible, mais on donne ces chiffres pour illustrer le manque complet de tendance au retour de flamme dans des con- ditions extrêmes et pour faire voir clairement la grandeur de l'invervalle des pressions de fonctionne- ment possibles. On peut étrangler une vanne placée sur l'admission do gaz contenant le mélange explosif
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sous pression sans avoir d'arrière-pensées, par contras- te avec le grand danger qu'il y a à manipuler une vanne sur un brûleur classique comme le savent tous ceux qui ont de l'expérience dans les brûleurs à gaz.
Même à des pressions' aussi faibles, il ne s'est jamais produit de retour de flamme en dépit des tentatives réelles ef- fectuées pour en, provoquer.
En fonctionnement normal des pressions seraient habituellement importantes et très supérieures a la pres- sion notée plus haut de 2mm d'eau/cm2 pour un fonction- nement efficace cornue brûleur sous pression, ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, mais il est important de noter que même si accidentellement les pressions régnant dans les conduites de mélange gazeux devaient tomber à cette valeur faible au voisinage de la pression d'un brûleur du type atmosphérique, le brûleur sous pression n'aura pas de retour de flamme cornue les brûleurs à pression classique. Il y a probalement plusieurs facteurs qui coopèrent pour empêcher qu'il y ait des retours de flam- le avec le brûleur nouveau de l'invention.
Une des rai- sons est relative à l'excellente qualité isolante de la couche de feutre due à la conductibilité minimum à tra- vers des fibres do quelques microns de diamètre, et spé- cialement quand elles n'ont que quelques millimètres de long, et de l'impossibilité de transmettre par conduction de la chaleur entre des fibres qui n'ont qu'un contact minimum. De plus, la nature chimique des fibres réfrac- taires réduit sensiblement leur tendance à conduire la chaleur. Ainsi, la partie arrière de la couche est toujours froide, quelle que soit la température qui existe sur la partie avant ou frontale.
En outre, on ne
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rencontre jamais d'écoulement inverse de gaz chaud. étant donné que les passages existant à travers le feutre sont tortueux et sont si minuscules (c'est-à-dire dans l'in- tervalle inférieur à un micron,) et que le feutre est rendu compact de façon telle qu'il est impossible qu'il y ait un écoulement en retour à travers la couche sans qu'il y ait une pression différentielle négative impor- tante. De plus, l'absence de chaleur infrarouge ou rayonnante empêche toute réflexion de chaleur possible à l'intérieur de la chambre de pression.
Avec la construction de type nouveau de l'inven- tion on peut former un brûleur qui ait une surface chaude présentant un dessin au lieu d'une surface rectangulaire.
De même, au lieu d'une surfa,.. plane, le brûleur du type nouveau de l'invention peut comporter des surfaces courbes. Non seulement le brûleur n'est pas limité dans ses possibilités en ce qui concerne des formes peu courantes, mais on peut également le fabriquer de ma- nière à ce qu'il couvre une grande surface d'un grand nombre de décimètres carrés.
L'ensemble 110, représenté sur les figures 1-3 comprend les composants du carter principal 112 avec une admission gazeuse pour le gaz combustible et le gaz oxydant, un tamis-support inférieur 114 à mailles gros-- sières, reposant sur un épaulement périphérique 116 du carter, uae couche de feutre céramique fibreux 118, un tamis de maintien comprimé à mailles fines 120, un tamis rigide à mailles grossières 122, recouvrant et mainte- nant le tamis à mailles fines et si on le désire une bague de maintien 124.
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La dimension effective des mailles de chaque tamis peut varier légèrement pour s'accorder à la densi- té de la couche de feutre céramique. Le tamis rigide à mailles grossières préféré pour les tamis 114 et 122 a une dimension d'environ 0,63 mm. Pour le tamis 120 la dimension préférée de mailles pour le tamis fin est d'environ 0,254 mm.
Le tamis fin sert à aider à comprimer la couche fibreuse et à empêcher les fibres individuelles d'être expulsées sous l'action du soufflage. Le tamis rigide à grosses mailles sert à maintenir en place toutes les parties du tamis fin pour arrêter toutes tendances au bombement. Le tamis à grosses mailles est enroulé au- tour de l'extérieur du bottier 112 pour éliminer toute tendance qu'il pourrait présenter à créer des problèmes de fuites autour du bord du feutre à l'intérieur du carter. Il peut être directement maintenu par des vis, ou bien peut être maintenu en le sertissant autour du carter ou à l'aide d'une bague extérieure de carter 124 qui ,est maintenue sur le carter 112 par des vis ou un dispositif de fixation analogue.
La couche de feutre avec son brûleur est préala- blement découpée à une largeur et une longueur légèrement supérieures à celle du bord supérieur du carter 112.
Chaque dimension peut, sur un brûleur d'environ 20 cm2 par exemple, être augmentée d'environ 1,6 mm, plus in- portante. La couche est ainsi comprimée latéralement dans deux dimensions lorsqu'on la place dans le carter.
En outre la couche est légèrement plus épaisse que la hauteur correspondante-du carter entre l'épaulement 116 et lc tamis 120 sur le dessus du carter. Par exemple,
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une couche de 6r35 mm peut avoir 0,79 mm d'épaisseur de plus, c'est-à-dire environ 10 %, si bien qu'elle est comprimée de cette quantité lorsqu'on la place dans le carter.
On a découvert qu'en comprimant le feutre dans les trois dimensions, lorsque le feutre s'ajuste direc- tement contre les parois du carter sans qu'un tamis in- termédiaire soit interposé entre,la surface périphérique est convenablement scellée ou maintenue d'une manière étanch( de façon à empêcher efficacement toute fuite excessive sur le bord sous la pression du gaz, Ainsi, même sans qu'on emploie un adhésif, le brûleur ne jette pas de flamme sur le bord, mais au contraire toute la surface se trouve à une chaleur uniforme sons qu'il y ait de flamme faisant saillie. Pendant le fonctionne- ment, la surface du brûleur ne semble même pas être chaude. Elle ne change pas de couleur et ne rayonne pas.
A l'exception d'une flamme bleue uniforme au-dessus, il n'y a aucun signe de combustion, On peut placer en toute confiance la main sur le dos du brûleur étant don- né qu'il n'est qu'à peine au-dessus de la température am- biante tandis que sur le devant de la surface du brû- leur la température peut s'élever bien jusqu'à 1095 C ou dépasser cette valeur. Cette zone de température élevée comprend une enveloppe de gaz de combustion qui est invisible et s'étend jusqu'à 25 mm ou plus à partir de la surface frontale du brûleur, cette dimension dé- pendant de la pression gazeuse, de l'épaisseur du feutre et de la densité du feutre.
Un fait curieux est que ceux qui assistent doivent être prévenus que la surface frontale du brûleur est extrêmemement chaude et qu'il ne faut pas s'en approcher, étant donne qu'on a la ten-
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talion de mettre la main au voisinage de la partie fron- tale puisqu'elle semble être complètement froide. En fait, dès qu'on vient d'éteindrele brûleur, on peut pla- cer directement la main sur la surface du brûleur parce que la surface reste froide.
En réalité l'inventeur n'a pas été capable de provoquer un "retour de flamme" avec le brûleur de l'in- vention, ce qui est différent de ce-qui se passe avec d'autres types de brûleurs à gaz, et ceci même en essayant d'y parvenir exprès pour des essais. Ce facteur seul est absolument unique dans le domaine des brûleurs à combus- tion de surface, sans parler des nombreux avantages que ceux-ci présentent. Etant donné que le danger du retour de flamme est. éliminé, on peut placer directement une vanne de réglage d'admission 130 sur la conduite 132 qui .-mène le mélange gazeux explosif depuis le distributeur de mélange 134 jusqu'à la chambre de pression 115 dans l'intérieur du carter du brûleur.
On peut régler cette vanne tout à son aise et sans avoir à craindre que l'ap- pareil entier explose, comme ceci pouvait arriver pré- cédemment si on avait l'audace d'installer une vanne à cet emplacement au lieu d'avoir simplemont une vanne in- dividuelle sur la conduite d'air 140 et une vanne sur la conduite de gaz 142 qui aboutissent dans le distri- buteur, On a reconnu que le brûleur nouveau de l'inven- tion chauffe d'une manière rapide et est très sûr étant donné qu'on peut placer des matières délicates à quel- ques millimètres de sa surface sans provoquer de dom- mage.
On peut employer le brûleur de l'invention pour chauffer des revêtements de plastiques sur des supports
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en papier, pour chauffer des matériaux plastiques "per se", pour sécher de la peinture, chauffer des tôles métalli- ques et pour de nombreux autres buts pour lesquels on emploie maintenant les brûleurs et pour de nombreux cutres buts auxquels ne s'adaptaient pas jusqu'à présent les brûleurs à gaz.
On n'a pas besoin de catalyseur dans la couche fibreuse, et on n'en emploie pas, et on n'a pas non plus besoin d'un dispositif auxiliaire d'allumage emplo- yé pour maintenir une combustion constante, parce que les gaz sous-pression, une fois qu'ils ont été allumés au début, continuent leur combustion continue se propa- geant d'elle-même sur la surface du brûleur sans dispo- sitif auxiliaire.
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"Gas burner"
The present invention relates to gas burners and more particularly to a gas burner providing a surface of any desirable size and configuration providing continuous and uniform heating at elevated temperature.
A serious limitation of conventional gas burners is their lack of ease of adaptation for special use. The molding of a porous ceramic block which is given unusual shapes and dimensions involves many limitations. Constructions other than ceramic blocks
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These castings have not really succeeded in gaining commercial acceptance because of their general lack of serviceability and because of the limited confidence that can be placed in them. For example, burners with a bed of unmelted particles tend to move under any appreciable gas pressure so that the gases "break through" as large streams. This produces large spurts or jets of flame.
In addition the materials must be able to withstand normal operating temperatures of about 1095 0 and above.
Another limitation of the conventional porous ceramic block burner is the temperature limitation imposed by thermal conductivity problems in the direction of return through the ceramic.
Excessive thermal conductivity to the mixing chamber will cause flashback if the temperature in the vicinity of the mixing chamber becomes a little too high. Further, if the pressure drops sharply at any time during operation, backfire will occur in the ceramic block type burner, as is well known. Not only must the pressure be maintained above a critical minimum to prevent backfire with burners of this type, but conventional ceramic block burners also have a maximum gas pressure very close to the minimum pressure. , thus defining a narrow operating interval.
These burners are manufactured either to work with high pressure gas or to work with gas
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at low pressure, the operating interval being narrow. If there are low gas pressures with a high pressure burner, backfire occurs. If a high gas pressure is imposed on a low pressure burner, some parts of the burner can actually explode because the structures lack the mechanical strength necessary for large flow resistances and furthermore the flame will easily " blown "(that is, will turn off easily) with the high pressure.
It is also important that although the best porous ceramic block burner now imagined is substantially free from flashback when properly manufactured and when carefully suited for use at specific operating pressures. , it easily gives rise to flashbacks if it is operated outside of these special conditions determined in advance.
Another serious limitation with conventional burners is their inability to uniformly heat a large surface area without a complex distribution of screens or baffles and partitions. Even with such deflectors, attempts to create uniform heating over a large area have been unsuccessful.
Thus, for example, the idea of making a burner covering an entire wall surface of a drying chamber by providing uniform heating over this surface is considered practically impossible with current burner technology due to: 1) the considerable expense that the
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making porous ceramic blocks of this size; 2) the uneven heat output from this burner, 3) the complexity of the baffles and the number of multiple gas intakes required, and 4) other problems inherent in the burners currently in service.
Even if a burner were invented having a relatively large area, the operating temperature would be relatively low since the pressures prevailing behind such a large area would be critical. In addition, a slight drop in pressure below the pre-determined minimum in any part of the burner could cause a dangerous backfire throughout the entire region of the mixing chamber.
Another important factor in today's burner technology relates to the expansion of the plastics market. There is often a desire to heat the surface of a plastic sheet or a liner made of plastic wrap in order to to soften the plastic and allow it to be heat sealed, heat bonded or similar.
Current burners are not able to achieve this at a fast rate in a safe and reliable manner due to temperature limitations, the presence of flames (especially uneven flames on the burner surface). ), the presence of infra-red radiation, the oxidation of plastic and due to other factors. Obviously, the material cannot be passed safely at a distance of a few millimeters from the surface of the burner.
In addition, today's burners are not
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not able to apply intense heating to a determined surface of an object without heating by radiation and conduction of adjacent parts of the object.
Moreover, current burners cannot easily and inexpensively be given shapes of a great variety, for example the shape of a horseshoe or a shape having an unusual pattern on the surface of the burner, or employing three walls of a burner casing as hot surfaces or with a corrugated burner surface shape among others.
The difficulty and often the impossibility of obtaining a uniform gas distribution over the burner surface (s) also prevents the adaptation of burner structures known to date; these limitations prevent easy use of the burners to closely match unusual article shapes for welding, pre-soldering heating, shell mold curing, heat treatment, drying and various other operations. without overheating any local part of the article,
The present invention therefore proposes to provide:
- a pressure type gas burner capable of delivering completely uniform heat over any desired surface, and only at the surface, whether it is a fraction of a square centimeter or whether it is several square meters. The surface may further include a hot region and a cold intermediate region pattern if desired. The burner does not need any deflector, - a burner providing uniform heating
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over the entire surface of any desired shape, even if it is special.
The surface may be curved in two or three dimensions, may be corrugated, may include two, three or more walls of a burner housing, may be hemispherical in nature, or may have any other desired configuration. emits uniform heat over the entire surface of any configuration without projecting flames.
- a burner capable of operating in unusually wide temperature ranges, and in unusually wide heat generation intervals, since it can be operated in an unusually wide pressure range. The structure can operate at very high pressures and at very diverse flow rates without blowing or without the structure perishing. It can also operate at low pressure without flashback. It has in fact been discovered after repeated experiments and weeks of severe tests of all kinds inflicted on the new structure of the invention that it has been impossible to cause a flashback with the burner.
No other burner is known which possesses this remarkable characteristic.
The burner simply turns off when the pressure drops below a low minimum. Apart from the high temperature surface the burner is cold throughout the rest of the structure. The back and sides of the structure can even be touched by hand without. discomfort when the hot surface is at a temperature of up to 1095 C.
The structure
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does not conduct heat more than a few millimeters into the porous element away from the hottest surface due to its unique charac- teristics, - a new burner allowing carefully regulated operation , without flame at will, with or without infrared radiation even at temperatures up to 1093 C. Articles can be passed close to the surface of the burner without damaging their surface or running the risk of changing their shape, The burner can provide a continuous high temperature protective jacket of flue gas extending up to approximately 25mm from the burner surface, allowing rapid and protected heating of materials.
- a burner having the above qualities and which is also remarkably inexpensive and relatively simple to manufacture.
These aims and others will become apparent on reading the following description taken in conjunction with the appended drawing in which:
Figure 1 is an exploded perspective view of an embodiment of the gas burner;
Figure 2 is a partial longitudinal sectional view of part of the gas burner of Figure 1, and
Figure 3 is a side elevational view, partly in section, of the burner assembly of Figures 1 and 2.
The pressure burner of the invention basically comprises a housing, an intake device
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in the pressurized gas and air mixture casing, at least one opening in the wall or top of the casing with a peripheral retainer and a self-supporting layer of fibrous refractory insulating material compressed from a material of the felt like, placed in the housing, held firmly in position, and sealed over the opening, thereby forming a wall of a pressure chamber located below inside said housing.
The one-piece, self-supporting layer is formed by millions of short fibers (1.6 to 12.7 millimeters long) of refractory material with a very small diameter in order to make myriad passages through a dimension of the order of one micron to constitute a surface have myriads of adjacent tiny interstices of a diameter of the order of one micron, that is, normally invisible to the naked eye. The layer is preferably composed of refractory fibers of alumina and silica, for example in equal parts, the fibers having a diameter of a few microns (for example 3.5).
The fibers are randomly dispersed in the layer, compacted and entangled by compressing the fibers and gluing them together with a binder employed in an amount of up to about 3% by weight. weight. The layer is compressed (eg, by calendering to the density, porosity, and thickness desired for the intended use. The density may vary depending on the ratio of materials, the gas pressure employed and the thickness.
The important criterion is the uniform porosity and the uniform consistency without surface defect, as well as the tiny size of the pores, rather than the don-
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site, but given that these factors are for all practical points of view extremely difficult to determine and define with precision, the density is indicated in relation to the dimensions and the materials considered. With this information as a basis, an experienced technician can easily determine replacement with other equivalent materials based on this information and the description of the given operating principle.
The thickness can be varied from about 1.6 to about 50 mm or more. The density of the silica-alumina mixtures can be varied, for example, from about 0.032g / cm3 up to about 6.2g / cm3. The proportion of alumina and silica can be varied and in some cases only one of these materials need be used. It could be conceivable to add additional materials having characteristics similar to a silica felt, or alumina, or composed of both.
The felt should be completely sealed over the opening @ the crankcase and is preferably roughly co-extensive with this opening,
The binder can be of different types, ie ceramic or resinous. The specific binder substance is not critical as long as it does not flow under heat to seal the tiny interstices.
The fact that a resinous binder, for example a phenolic resin such as phenol-formaldehyde tends to decompose at 204-316 C does not deter it from being of great interest since the felt is subjected to very high temperatures (up to 1095 C) but only on its completely external surface due to its
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excellent insulating qualities,
We can put alumina in the form of fibers! and silica from the molten material by scrubbing with a steam jet in a conventional manner to produce a fiber which is about 3.5 microns in diameter and about 1.6 to 12.7 mm long.
The diameter or length can be varied as long as the resulting felt is imparted with the stable consistency and gas flow characteristics which are explained below. A satisfactory material is "Cérafelt" sold by the Company.
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known as vJaxins-Nlanv3.lle "from IJ10llville, New-Jersey, United States of America.
The felt should be sealed completely and tightly over the opening in the housing. Any seal leakage around the edge causes jets of flame which make the burner not worth trusting for many jobs. For example, if one wishes to weld a plastic liner onto a sheet of paper by passing it near the burner, the flame jets would ignite the paper or plastic and completely spoil the product.
The felt is cut so that it is substantially oo-extensive at the opening forming the burner surface. It has been found that if the felt is larger than the opening, i.e. protrudes from the edges of the opening, the edges of the felt must be sealed to the housing, otherwise gases will mow through. come out in large quantities around the edge of the felt layer because there is less resistance to flow there for the pressurized gases, This causes a peripheral edge of flames which can protrude 6 mm
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or more around the burner surface. This flame is undesirable for many uses where the article is placed very close to the burner.
Inside the sump) below the felt layer is a pressure chamber into which the pressurized mixture of combustible gases is introduced.
The combustible gases may comprise a mixture of a gaseous hydrocarbon and an oxygen-containing gas, for example compressed air. The felt material exhibits significant resistance to gas flow due to its presence. because the gas must pass through myriads of tiny tortuous passages having a diameter of the order of less than one micron. As a result, the pressurized gas mixture in the pressure chamber is automatically distributed ..... uniformly on the back of the fibrous layer.
The gases passing through the layer do so in a very finely dispersed and evenly distributed fashion under myriads of small adjacent currents at considerable velocity. If the felt layer is not compressed to cause a significant drop in temperature, new combustion will take place before the gas is emitted from the outer surface of the layer so as to produce a heat of. Very high infrared radiation. This infrared radiation is completely eliminated by compressing the material in such a way as to cause a large pressure drop across the layer. By operating in this way, only an extremely thin blue flame can be seen on the surface, and again when looking across the burner surface.
Pressurized combustion gases are emitted at a noticeable rate from the entire surface.
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burner and temperatures up to 1095 C or approximately. Since the entire surface sustains combustion in each of these tiny orifices, the combustion gases merge together and form a continuous, airless, high temperature gas envelope.
The flue gas layer can vary from about 6mm to 25mm or more from the burner surface.
It is very important for the operation of the new burner of the invention, not only that all the edges of the layer of felt are sealed in an absolutely hermetic manner, but also that there are not on the surface of the felt. felt of "pinholes" of a notable diameter and depth. Such pinholes or surface defects (which are normally visible) cause the creation of a gas jet which ejects a flame a significant distance from the surface.
This prevents proper and effective use and destroys the uniform surface effect. They can normally be detected by eye before switching on. They are easy to detect during operation due to the creation of jets or tongues of flame. These pinholes must be carefully plugged when they occur or, preferably, the felt which presents them must be replaced by a felt which does not have any.
Thus it is important that the felt material is uniform throughout its extent, and that the fibers are firmly united as a mass in the layer in order to have stable positions when subjected to great pressure in the pressure chamber. If the pressure in the pressure chamber is only that caused by the mixture of atmospheric air
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and a gas jet, the pressure drop across the felt will completely prevent any appreciable flow, and the burner will go out. This Large pressure drop is important for the operation of the burner.
For this reason the gases must be mixed beforehand, that is to say the air or the oxygen must be mixed with the fuel gas in order to form an explosive mixture which is discharged in the already mixed state into the gas chamber. pressure chamber.
It has been found that the pressure can be varied over a wide range, the burner simply responding with different heat output and different surface temperature instead of exhibiting undesirable reactions. For example, the pressure on the burners was varied to a pressure equal to 2 mm of water / cm2 at 60 mm / cm2, without interrupting the operation of the burner, With a layer of 12.7 mm thick 50/50 silica-alumina felt having a density of about 0.048 g / cm3, the use of pressures less than 2 mm water / cm2 brings the speed of the gases passing through the refractory felt to decrease to such an extent that the burner goes out.
This minimum pressure varies for layers of different dimensions and densities. The burner is never normally operated at such a low pressure, but these figures are given to illustrate the complete lack of backfire tendency under extreme conditions and to make it clear the magnitude of the pressure range. possible operations. A valve placed on the gas inlet containing the explosive mixture can be throttled.
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under pressure without having any ulterior motives, in contrast to the great danger that there is to manipulate a valve on a conventional burner as anyone who has experience in gas burners knows.
Even at such low pressures, no flashback has ever occurred despite actual attempts to induce it.
In normal operation, pressures would usually be high and much greater than the above noted pressure of 2mm water / cm2 for efficient burner pressure retort operation, as indicated above, but it It is important to note that even if the pressures prevailing in the gas mixture pipes should accidentally drop to this low value in the vicinity of the pressure of an atmospheric type burner, the pressurized burner will not have a flashback afterwards. conventional pressure burners. There are probably several factors which cooperate in preventing backfire with the novel burner of the invention.
One of the reasons is related to the excellent insulating quality of the felt layer due to the minimum conductivity through fibers of a few microns in diameter, and especially when they are only a few millimeters long, and the inability to transmit heat by conduction between fibers which have only minimal contact. In addition, the chemical nature of refractory fibers significantly reduces their tendency to conduct heat. Thus, the rear part of the diaper is always cold, regardless of the temperature that exists on the front or front part.
In addition, we do not
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never encounter a reverse flow of hot gas. given that the passages existing through the felt are tortuous and are so tiny (that is, in the interval less than one micron,) and that the felt is made compact in such a way that it is it is impossible for there to be a back flow through the layer without there being a significant negative differential pressure. In addition, the absence of infrared or radiant heat prevents any possible heat reflection inside the pressure chamber.
With the novel construction of the invention a burner can be formed which has a hot surface having a pattern instead of a rectangular surface.
Likewise, instead of a flat surface, the burner of the new type of the invention may have curved surfaces. Not only is the burner not limited in its possibilities with regard to unusual shapes, but it can also be manufactured so that it covers a large area with a large number of square decimeters.
The assembly 110, shown in Figures 1-3 comprises the components of the main housing 112 with a gas inlet for fuel gas and oxidizing gas, a lower support screen 114 of coarse mesh, resting on a peripheral shoulder. 116 of the casing, a layer of fibrous ceramic felt 118, a compressed fine mesh retaining sieve 120, a rigid coarse mesh sieve 122, covering and retaining the fine mesh sieve and if desired a retaining ring 124 .
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The effective mesh size of each screen may vary slightly to match the density of the ceramic felt layer. The preferred coarse-mesh rigid screen for screens 114 and 122 has a size of about 0.63 mm. For screen 120 the preferred mesh size for the fine screen is about 0.254 mm.
The fine screen serves to help compress the fibrous layer and prevent individual fibers from being blown out. The coarse-mesh rigid screen is used to hold all parts of the fine screen in place to stop any tendency to bulge. The coarse mesh screen is wound around the outside of the housing 112 to eliminate any tendency it may exhibit to create leakage problems around the edge of the felt inside the housing. It can be directly held by screws, or can be held by crimping it around the housing or by means of an outer housing ring 124 which is held on the housing 112 by screws or a similar fastening device. .
The felt layer with its burner is previously cut to a width and a length slightly greater than that of the upper edge of the casing 112.
Each dimension can, on a burner of about 20 cm 2 for example, be increased by about 1.6 mm, more important. The layer is thus compressed laterally in two dimensions when placed in the housing.
Further the layer is slightly thicker than the corresponding height of the housing between the shoulder 116 and the screen 120 on the top of the housing. For example,
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a 6r35mm layer may be 0.79mm thicker, ie about 10%, so that it is compressed by this amount when placed in the sump.
It has been found that by compressing the felt in three dimensions, when the felt fits directly against the walls of the housing without an intermediate screen being interposed between it, the peripheral surface is suitably sealed or kept tight. airtight (so as to effectively prevent any excessive leakage on the edge under the gas pressure, Thus, even without using an adhesive, the burner does not throw a flame on the edge, but on the contrary the whole surface is found at uniform heat even if there is a protruding flame During operation the burner surface does not even appear to be hot, does not change color or glow.
With the exception of a uniform blue flame above, there is no sign of combustion. One can confidently place the hand on the back of the burner as it is only barely above the room temperature while on the front of the burner surface the temperature can rise well up to 1095 C or exceed this value. This high temperature zone comprises an envelope of combustion gas which is invisible and extends up to 25 mm or more from the front surface of the burner, this dimension depending on the gas pressure, the thickness of the gas. felt and the density of the felt.
A curious fact is that those who are present should be warned that the front surface of the burner is extremely hot and that one should not approach it, since there is tension.
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talion to put your hand near the front part since it seems to be completely cold. In fact, as soon as the burner has just been turned off, you can place your hand directly on the surface of the burner because the surface remains cold.
In reality the inventor was not able to cause a "flashback" with the burner of the invention, which is different from what happens with other types of gas burners, and this even by trying to achieve it on purpose for testing. This factor alone is absolutely unique in the field of surface combustion burners, not to mention the many advantages these offer. Since the danger of backfire is. If this is eliminated, an inlet control valve 130 can be placed directly on the line 132 which leads the explosive gas mixture from the mixture distributor 134 to the pressure chamber 115 in the interior of the burner housing.
You can adjust this valve at your ease and without having to fear that the whole device will explode, as could happen previously if you had the audacity to install a valve in this location instead of simply having to mount it. an individual valve on the air line 140 and a valve on the gas line 142 which terminate in the distributor. It has been recognized that the new burner of the invention heats up rapidly and is very safe since delicate materials can be placed within a few millimeters of its surface without causing damage.
The burner of the invention can be used to heat plastic coatings on supports.
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made of paper, for heating plastics "per se", for drying paint, for heating metal sheets and for many other purposes for which burners are now used and for many other purposes to which they were not suitable until now gas burners.
Catalyst is not needed in the fibrous layer, nor is it employed, nor is there a need for an auxiliary ignition device employed to maintain constant combustion, because the Pressurized gases, once they have been initially ignited, continue their continuous combustion, propagating by itself over the surface of the burner without any auxiliary device.