CH624650A5 - Process for the manufacture of fibres by means of gas streams with saving of energy - Google Patents

Description

L'invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la fabrication de fibres à partir d'une matière étirable, en particulier de matières minérales telles que du verre ou des compositions similaires qui sont amenées à l'état fondu par chauffage. Cependant le dispostif étant plus particulièrement intéressant dans le cas de l'étirage du verre et des matières thermoplastiques similaires, la description se réfère, à titre d'exemple, au cas du verre.

Certaines techniques utilisant des courants tourbillonnaires pour fabriquer des fibres par étirage de verre fondu sont déjà connues.

En particulier, la publication de brevet FR N° 2223318 décrit la formation de paires de tourbillons contrarotatifs dans une zone d'interaction créée en dirigeant et en faisant pénétrer un jet gazeux secondaire ou porteur dans un courant gazeux principal de plus grandes dimensions, un filet de verre fondu étant amené dans cette zone pour y être étiré.

Différents types de dispositifs utilisés pour l'étirage d'une matière dans une zone d'interaction sont déjà décrits dans le brevet cité précédemment et dans les demandes de brevets FR Nos 76.03416 ou 76.37884. Dans tous les cas, on fait pénétrer dans un courant principal un écoulement ou un jet gazeux dont l'énergie cinétique par unité de volume est supérieure à celle du courant principal, ce jet possédant une section dont la dimension, transversalement au courant principal, est inférieure à celle de ce dernier. Un filet de matière étirable est introduit dans la zone d'interaction du jet avec le courant principal, soit directement par gravité, soit en amenant initialement le filet dans le jet gazeux pour l'entraîner ainsi dans la zone d'interaction.

Dans l'analyse suivante, on tiendra compte du fait que l'étirage de matières thermoplastiques telles que le verre doit nécessairement avoir lieu à haute température. Le verre est donc fondu par chauffage, par exemple à une température supérieure à environ 1250°C et, pour obtenir de hauts rendements, la température des gaz d'étirage en contact avec le filet de matière et la fibre en formation

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doit aussi être suffisamment haute pour maintenir le verre à la température élevée appropriée à l'étirage.

Dans la publication de brevet FR N° 2223318, le jet gazeux secondaire et le courant principal possèdent tous deux des températures relativements élevées, par exemple de l'ordre de 800° C pour le jet et 1580°C pour le courant principal.

Bien que la demande de brevet No 76.03416 décrive la possibilité d'utiliser de basses températures pour le jet, par exemple voisines de la température ambiante, elle prévoit pour le courant principal des températures relativement élevées, telles que celles mentionnées ci-dessus.

Mais, étant donné, d'une part, que le courant principal renferme de grands volumes de gaz et, d'autre part, que seule une partie de ceux-ci est utilisée pour l'étirage de la matière thermoplastique dans la zone d'interaction, le chauffage de la totalité des gaz du courant principal à des températures relativement hautes entraîne des pertes d'énergie ou de chaleur considérables.

Cette perte d'énergie est évitée par la technique de la présente invention qui permet, contrairement à la technique connue, non seulement d'employer un jet à basse température, mais aussi d'utiliser un courant principal dont la température est relativement peu élevée. Le procédé selon l'invention est défini par la revendication 1.

La technique du présent procédé, dite localisation de l'énergie, conduit à réaliser une économie d'énergie importante et présente, de plus, d'autres avantages. Par exemple, elle rend possible le refroidissement rapide des fibres après étirage, ce qui augmente les caractéristiques de résistance mécanique des fibres pour un grand nombre de matières thermoplastiques. Cela permet aussi d'obtenir des fibres très longues, résultat qui est particulièrement recherché pour certaines applications.

Les avantages de l'invention apparaîtront dans la suite de la description relative aux différents modes de réalisation du dispositif illustrés à titre d'exemple sur les dessins:

la fig. 1 représente une vue schématique, en élévation, des principaux éléments d'un dispositif selon l'invention, dans lequel une paire de jets est employée à chaque centre de fibrage, et dont certaines parties sont représentées en coupe;

la fig. 2 est une vue schématique en perspective à plus grande échelle, montrant le fonctionnement du dispositif de la fig. 1 ;

la fig. 3 est une section verticale, à grande échelle, des éléments formant un centre de fibrage, dans le plan des orifices d'émission des jets;

la fig. 4 représente une section verticale des éléments d'un centre de fibrage relatif à un autre mode de réalisation du dispositif;

la fig. 5 est un schéma en perspective illustrant le fonctionnement du dispositif de la fig. 4;

la fig. 6 est une vue en plan de plusieurs jets adjacents et de portions du courant principal qui correspondent aux fig. 4 et 5,

mais omettant l'alimentation en verre et les fibres en cours de formation;

la fig. 7 est une vue similaire à la fig. 4, mais comprenant un organe supplémentaire;

la fig. 8 est une vue en élévation, partiellement en coupe verticale, représentant l'adaptaiton de caractéristiques du présent dispositif à un dispositif de fibrage tel que celui de la fig. 11 du brevet FRNo 2223318;

les fig. 9a et 9b sont des coupes schématiques d'un centre de fibrage, la fig. 9a illustrant les conditions et le processus de fibrage dans une zone d'interaction sans localisation de l'énergie, tandis que la fig. 9b représente le même centre de fibrage mais en utilisant la technique de localisation de l'énergie, et la fig. 10 est un graphique mettant en évidence un avantage de la présente invention lorsqu'on l'applique au fibrage de certains types de matières minérales thermoplastiques.

Dans la description détaillée qui suit, on se référera tout d'abord au dispositif représenté sur les dessins et on analysera ensuite les aspects relatifs à la localisation de l'énergie dans le fonctionnement de ce dispositif.

On se réfère d'abord à la fig. 1, sur laquelle est représenté schématiquement en 8 un générateur de courant principal tel qu'un brûleur, muni d'une tuyère 9 émettant dans une direction approximativement horizontale un courant principal 10. Celui-ci peut bien sûr être dirigé suivant d'autres directions.

Un collecteur 13 relié par l'intermédiaire d'une connexion 12 à une nourrice à jets 11 alimente celle-ci en gaz comprimé, par exemple en air comprimé. On peut voir aussi, sur les fig. 2 et 3, que la nourrice à jets 11 comporte des paires d'orifices 14 et 15 pour l'émission de jets, les paires successives d'orifices portant les références 14a-15a; 14b-15b; 14c-15c; 14d-15d; 14e-15e; les jets émis à partir de ces paires d'orifices sont repérés par les lettres correspondantes. La fig. 2 fait apparaître en perspective trois paires de jets tandis qu'une seule paire de jets a-a est représentée sur les fig. 1 et 3. A chaque paire de jets correspond un centre de fibrage.

A chaque centre de fibrage, les jets d'une paire, par exemple les jets a-a butent l'un contre l'autre dans leur plan commun et produisent un écoulement combiné, indiqué en A sur la fig. 1, dans lequel un filet de matière étirable est soumis à une première étape d'étirage ou étirage primaire. L'écoulement combiné ou jet porteur combiné progresse vers le bas et pénètre dans le courant principal 10 en créant avec ce dernier une zone d'interaction qui est utilisée pour une seconde étape d'étirage.

Sur ces figures, une source d'alimentation en verre est schématisée en 16; elle comprend une filière 17 possédant une série de tétons 18 d'alimentation en verre espacés entre eux, qui comportent chacun un orifice d'alimentation 18a, et, en amont, un orifice doseur 19. Le verre est ainsi amené sous forme de bulbes G à partir desquels des filets de verre S s'écoulent vers le bas, chaque centre de fibrage comprenant un bulbe et un filet. Les fibres formées à partir d'une série de centres de fibrage répartis transversalement sur la largeur du courant principal 10 sont ensuite déposées sur un convoyeur perforé ou bande 20 sous forme d'une nappe de fibres B. La répartition des fibres sur ce convoyeur se produit à l'intérieur d'une chambre délimitée par exemple par une paroi 21, grâce à l'action de chambres d'aspiration 22 disposées de préférence sous le convoyeur 20, et reliées par les conduits 23 à un ou plusieurs ventilateurs d'aspiration, représentés schématiquement en 24. Le fibrage effectué avec le dispositif précédent est expliqué et analysé plus précisément en référence aux fig. 2 et 3.

Comme déjà précisé ci-dessus, le processus propre à chaque centre de fibrage est de préférence relié à l'action des jets des centres voisins. La fig. 2 représente le processus d'étirage de façon complète pour le centre de fibrage correspondant aux jets b-b, et seulement de façon partielle pour les centres de fibrage relatifs aux jets a-a et c-c. La fig. 3 montre à plus grande échelle ce qui se produit au centre de fibrage comprenant les jets a-a; pour analyser le processus ou le fonctionnement, on rappelle tout d'abord que tout jet gazeux induit un mouvement d'air ambiant dès son émission à partir d'un orifice. En conséquence, chacun des jets a comprend une partie centrale j, ou cœur, entourée d'une enveloppe de gaz contenant de l'air induit désignée par la lettre i. Cette enveloppe s'agrandit rapidement au fur et à mesure que l'écoulement du jet progresse,

alors que le cœur du jet reste la partie centrale relativement courte ayant la forme d'un cône. Les gaz formant le cœur du jet possèdent une vitesse égale à celle du jet au moment où il sort de l'orifice,

tandis que la vitesse des gaz de l'enveloppe diminue au fur et à mesure que l'écoulement progresse. Les flèches représentées sur les fig. 2 ou 3 indiquent l'induction d'air par l'écoulement des jets, mais aussi par l'écoulement du courant principal.

Quand on utilise une paire de jets possédant approximativement la même énergie cinétique par unité de volume et de préférence aussi approximativement la même dimension, ces deux jets ayant leurs axes situés dans un même plan et convergeant de manière à buter l'un contre l'autre de préférence à angle aigu, l'écoulement combiné s'épanouit latéralement, en aval de la région d'impact des deux jets,

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c'est-à-dire qu'il s'épanouit dans des directions transversales au plan des axes des jets.

Les paires de jets ou les plans contenant leurs axes sont suffisamment proches les uns des autres pour qu'à chaque centre de fibrage l'épanouissement latéral de l'écoulement combiné issu d'une paire de jets se trouve gêné ou limité par impact sur l'écoulement de paires de jets voisins en cours d'épanouissement. Cet impact d'écoulements combinés voisins développe deux paires de tourbillons de petites dimensions dans chaque écoulement, les sommets des tourbillons d'une même paire étant situés à distance l'un de l'autre de part et d'autre du plan des axes des jets. On a schématisé sur les fig. 2 et 3 des paires supérieures et des paires inférieures de tourbillons. Les tourbillons de la paire supérieure portant la référence tu-tu sont formés de courants tournant en direction les uns des autres dans la partie supérieure des tourbillons, et en direction opposée dans leur partie inférieure. Au contraire, les tourbillons de la paire inférieure référencée par les lettres tl-tl tournent en sens inverse des tourbillons de la paire supérieure.

Entre les deux paires de tourbillons, dans la région d'impact mutuel des jets, se forme une zone L d'écoulement laminaire associée à ces tourbillons, au niveau de laquelle l'appel d'air induit est très intense, et c'est précisément dans cette zone d'écoulement laminaire, du côté des tourbillons supérieurs, que le filet de verre S est introduit. Ce filet est formé à partir du bulbe ou cône de verre G dont la position est décalée par rapport à l'émetteur de jets. Cependant, le bulbe de verre G se trouvant à l'état étirable ou fluide à la sortie du téton d'alimentation, le filet de verre étirable S est délivré par rapport à la position initiale du bulbe, en direction de la zone d'écoulement laminaire L, par suite de l'appel intense d'air induit, et cet effet assure l'amenée du filet de matière étirable dans la zone laminaire. De ce fait, même s'il existe un léger défaut d'alignement du téton 18 d'alimentation en verre par rapport à la paire de jets, l'appel d'air induit compensera automatiquement ce défaut et conduira le filet de verre dans la position appropriée.

On comprendra ainsi que, par formation à chaque centre de fibrage d'au moins une paire de tourbillons bordant une zone d'écoulement laminaire et par amenée de la matière, à l'état étirable, dans une région voisine de ladite zone, le filet de matière est entraîné automatiquement dans cette zone par les courants d'air induits qui, comme précisé ci-dessus, compensent automatiquement les éventuels défauts d'alignement, ce qui conduit à stabiliser l'introduction de la matière étirable. Cette stabilité est obtenue même lorsque les tétons d'alimentation en verre sont notablement espacés des émetteurs de jets, espacement souhaitable pour faciliter le réglage et le maintien de la température appropriée à la fois pour les tétons d'alimentation et pour les émetteurs de jets.

En aval de la zone laminaire L, les deux tourbillons tu-tu, mais aussi tl-tl, ont tendance à fusionner et, lorsque l'écoulement progresse vers l'aval, ils tendent à perdre leur identité, comme représenté sur la fig. 2 dans la section montrant les deux paires de tourbillons qui prennent naissance dans les jets c-c. L'écoulement combiné de chaque paire de jets progresse ensuite vers le bas pour pénétrer dans le courant principal 10, tel qu'illustré pour l'écoulement issu de la paire de jets b-b; le jet combiné forme ensuite, avec le courant principal et à l'intérieur de ce dernier, la zone d'interaction totalement analysée dans la publication de brevet FR N° 2223318 mentionnée précédemment, zone qui comprend une paire supplémentaire de tourbillons T.

On remarquera que chaque plan contenant les axes des jets d'une même paire coupe le courant principal de préférence suivant une droite pratiquement parallèle à la direction de propagation de celui-ci.

Chaque filet de verre S est ainsi soumis à un étirage primaire dans l'écoulement de jets combinés, entre la zone d'écoulement laminaire, ou point d'introduction du verre, et le point de pénétration du jet dans le courant principal, le filet partiellement étiré étant ensuite soumis à un étirage supplémentaire dans la zone d'interaction dudit écoulement avec le courant principal. On voit sur les figures que ces deux étapes d'étirage sont effectuées sans fragmentation du filet de verre, de sorte que chaque filet produit une fibre unique.

Pour obtenir à chaque centre de fibrage le processus décrit précédemment, en particulier la formation de paires de tourbillons bordant chacune une zone d'écoulement laminaire, on utilise une paire de jets qui possèdent de préférence la même énergie cinétique par unité de volume. Les sections de ces deux jets présentent aussi de préférence des surfaces identiques, mais il est possible d'admettre une petite différence entre ces surfaces, en particulier si les énergies cinétiques par unité de volume des deux jets sont pratiquement les mêmes. En outre, les sections des deux jets d'un centre de fibrage ont avantageusement la même forme.

Par ailleurs, il n'est pas nécessaire que la section droite d'un jet possède exactement les mêmes dimensions dans des directions parallèle et transversale au plan renfermant leurs axes et, de plus, ces dimensions ne sont pas obligatoirement égales aux dimensions correspondantes du second jet de la même paire. Cependant, il est préférable et avantageux que ces dimensions soient identiques ou très voisines au sein d'un jet, mais aussi pour les deux jets d'un centre de fibrage. De plus, il est souhaitable que les paires de jets voisines aient sensiblement les mêmes dimensions pour permettre une formation uniforme des paires de tourbillons bordant les zones d'écoulement laminaires lors de l'impact de chaque écoulement combiné sur l'écoulement voisin en cours d'épanouissement latéral. Cette identité des jets de centres de fibrage successifs permet d'obtenir des conditions de fibrage uniformes et homogènes dans les différentes zones d'interaction créées par pénétration des jets dans le courant principal.

Pour qu'il y ait pénétration, l'écoulement combiné doit avoir une énergie cinétique par unité de volume supérieure à celle du courant principal quand il atteint celui-ci.

On notera aussi que les jets groupés par paires doivent présenter certaines caractéristiques spécifiques pour former la zone d'écoulement laminaire dans laquelle le filet de verre pourra être introduit sans fragmentation. Il est en effet important que les axes soient situés pratiquement dans un même plan et se rencontrent dans ce plan, de préférence selon un angle aigu.

Dans le système décrit ci-dessus en référence aux fig. 1,2 et 3, les caractéristiques relatives à la localisation de l'énergie peuvent être utilisées de plusieurs manières. Il est tout d'abord prévu que les courants de gaz dans la zone d'interaction formée par pénétration du jet dans le courant principal contiennent des composants combustible et comburant en proportions telles que le mélange soit combustible. De préférence, le combustible et le comburant se trouvent en proportions approximativement stœchiométriques au voisinage immédiat de la matière étirable. La manière d'introduire ces composants dans la zone d'interaction est expliquée en détail plus loin, après la description des autres modes de réalisation du dispositif représentés sur les dessins.

On se réfère donc au dispositif des fig. 4, 5 et 6 qui est décrit aussi dans la demande de brevet FR No 76.37884. Dans cette dernière, on engendre une série de jets gazeux secondaires, ou jets porteurs, auxquels est associé un déflecteur; les jets sont ainsi déviés et dirigés vers un courant principal dans lequel ils pénètrent, et les filets de verre sont introduits dans l'écoulement des jets, puis entraînés par ceux-ci dans les zones d'interaction correspondantes formées dans le courant principal. On se réfère tout d'abord à la fig. 4 schématisant les principaux éléments d'un centre de fibrage. Sur la gauche, est représentée une partie d'un brûleur ou d'un générateur 25 qui comporte une tuyère 26 émettant un courant principal 27.

Une nourrice à jets 28 possède une série d'orifices d'émission 29 par lesquels sont émis les jets repérés par les lettres a, b, c et d sur la fig. 5. La nourrice à jets 28 peut être alimentée en fluide sous pression par l'intermédiaire de la connexion 31 reliée au tube d'alimentation 30. Sur cette nourrice 28 est montée une plaque ou volet déflecteur 40, qui recouvre la série de jets et dont le bord 41 a une position telle que les jets butent contre ce déflecteur.

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Une filière 32, associée à un avant-corps ou à un moyen convenable d'alimentation en verre indiqué en 33, comporte des tétons d'alimentation 34, et un filet de verre est dirigé vers chaque écoulement de jet décrit ci-après pour être ensuite amené en aval vers la zone d'interaction du courant principal 27. Comme précisé dans la suite de la description, le fibrage intervient dans le jet, mais aussi dans le courant principal, puis ce dernier délivre les fibres vers la droite, ainsi qu'on le représente sur la fig. 4, pour former une nappe qui se dépose sur un tapis transporteur perforé ou convoyeur.

La tuyère 26 émettant le courant principal a un orifice de sortie de largeur importante. De préférence la filière 32 possède aussi une grande dimension dans la direction perpendiculaire au plan de la fig. 4 et permet d'alimenter en verre l'ensemble des tétons 34.

Les jets émis par les orifices d'émission 29 sont soumis à une déviation ou à un guidage au moyen d'un déflecteur qui coopère avec ces jets pour engendrer des paires de tourbillons contrarotatifs utilisés au moins pour l'étirage primaire, mais aussi pour amener les filets partiellement étirés dans les zones d'interaction créées par la pénétration des jets dans le courant principal. En vue d'engendrer les paires de tourbillons contrarotatifs des jets, la plaque déflectrice 40 est associée à un groupe d'orifices d'émission de jets. Comme on le voit en particulier sur la fig. 5, la plaque déflectrice revêt de préférence la forme d'une tôle pliée dont une partie recouvre la nourrice à jets sur laquelle elle est fixée et dont l'autre partie possède un bord libre 41 disposé sur la trajectoire des jets émis à partir des orifices 29, et placé avantageusement le long d'une ligne qui occupe les axes de ces orifices de jets.

Cette position de la plaque déflectrice 40 et de son bord 41 provoque l'impact de chacun des jets contre la face interne de la plaque 40, ce qui cause un épanouissement desdits jets. Ainsi, on a représenté sur la fig. 5 l'écoulement de quatre des jets émis des orifices a, b, c et d et on remarquera que chacun d'eux s'épanouit latéralement en s'approchant du bord 41 de-la plaque.

Il est prévu que les orifices d'émission 29 des jets soient suffisamment rapprochés les uns des autres et que le déflecteur soit disposé de manière qu'au moment de leur épanouissement latéral, les jets voisins butent les uns contre les autres dans la région du bord 41 de la plaque. De préférence, comme le montre la fig. 5, cet impact mutuel des jets voisins se produit aussi près que possible du bord libre 41 de la plaque déflectrice 40. Il en résulte la formation de paires de tourbillons contrarotatifs représentées sur la fig. 5 en association avec chacun des trois jets émis par les orifices a, b, c.

Pour analyser la formation des tourbillons dans chaque jet, on se réfère en particulier aux tourbillons 42b et 43b, associés au jet provenant de l'orifice b. On remarque que ces tourbillons ont leurs sommets situés sensiblement au bord de la plaque déflectrice 40 sur des côtés opposés du jet au voisinage de la zone dans laquelle le jet en cours d'épanouissement bute contre les jets voisins émis à partir des orifices a et c, eux aussi en cours d'épanouissement. Les tourbillons 42b et 43b sont contrarotatifs, et ils s'agrandissent au fur et à mesure de leur progression jusqu'à ce qu'ils se rencontrent à distance et en aval du bord 41 de la plaque déflectrice. Ces tourbillons 42b et 43b ont aussi une composante dirigée vers l'aval.

Du fait de l'espacement entre les sommets ou points de formation des tourbillons 42b et 43b et compte tenu de leur agrandissement progressif, une zone 44b approximativement triangulaire se forme entre les tourbillons et le bord de la plaque déflectrice; cette zone triangulaire a une pression relativement faible et subit un afflux important d'air induit, mais son écoulement reste cependant quasi laminaire. C'est dans cette zone que le filet de verre fondu ou d'autre matière étirable est introduit et, en raison de la nature laminaire de l'écoulement dans cette zone triangulaire, le filet de verre n'est pas fragmenté, mais est conduit dans la région située entre les deux tourbillons.

Les sens de rotation des courants dans les tourbillons de jet 42b et 43b sont contraires, le tourbillon 42b tournant dans le sens des aiguilles d'une montre dans la représentation de la fig. 5, tandis que le tourbillon 43b tourne dans le sens inverse. Ainsi, les courants dans ces deux tourbillons se rapprochent l'un de l'autre vers leur partie supérieure et s'écoulent ensuite vers le bas en direction de la zone centrale ou zone laminaire 44b.

Pour la paire de tourbillons 45a et 46a associés au jet provenant de l'orifice a, on a indiqué par des flèches les sens de rotation doiit il est fait état précédemment. Il est entendu que, pour l'écoulement du jet à partir de l'orifice a, on a représenté une coupe au niveau de l'extrémité aval de la zone d'écoulement laminaire 44a, c'est-à-dire au voisinage de la zone dans laquelles les deux tourbillons, après s'être agrandis, commencent à fusionner, ce phénomène se poursuivant au fur et à mesure que l'écoulement du jet progresse vers l'aval. On voit aussi clairement que l'écoulement du jet provenant de l'orifice a comporte non seulement la paire de tourbillons 45a et 46a, mais aussi une autre paire de tourbillons 47a et 48a ayant, l'un par rapport à l'autre, des sens de rotation inverses, comme représenté sur la fig. 5, mais dans ce cas le tourbillon 48a tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que le tourbillon 47a tourne en sens contraire. De telles doubles paires de tourbillons sont bien entendu engendrées par chacun des jets et associées à chacun d'eux.

En ce qui concerne la fig. 5, on notera encore que, lorsque l'écoulement progresse à partir du plan dans lequel les tourbillons associés à l'orifice a sont représentés, les quatre tourbillons tendent à fusionner et à reformer un écoulement moins caractérisé, comme le montre la section 49c à travers l'écoulement du jet provenant de l'orifice c. Les mouvements tourbillonnaires décroissent en intensité et l'ensemble de l'écoulement, y compris l'écoulement laminaire de la zone centrale du jet, se mélange dans la région indiquée en 49c, le jet progressant ensuite vers l'aval en direction du courant principal 27.

Sur la fig. 5, la représentation des diverses portions du jet a été schématisée par mesure de clarté. Par exemple, dans la zone située un peu en aval de leur origine, les paires de tourbillons qui prennent naissance dans chacun des jets apparaissent légèrement éloignées de la paire de tourbillons naissant dans chaque jet voisin, alors qu'en réalité ces divers tourbillons sont pratiquement contigus.

En raison de la forme d'écoulement du jet dans la zone laminaire et dans les paires de tourbillons, en particulier dans la paire supérieure de chaque groupe, l'introduction du filet de matière étirable repéré par la lettre S pour le centre de fibrage comportant l'orifice de jet b a pour résultat d'entraîner le filet dans l'écoulement laminaire de la zone centrale. Cela amène le filet dans la zone de hautes vitesses située entre deux tourbillons et, par conséquent, celui-ci se trouve étiré comme montré sur la fig. 5. Cet étirage a lieu sensiblement dans une zone correspondant au plan P. L'action des paires de tourbillons de jet provoque le fouettement de la fibre étirée sensiblement dans la zone du plan P de sorte que l'étirage ne conduit pas à projeter les fibres en cours de formation vers les jets adjacents.

Le jet s'écoule ensuite jusqu'à la limite supérieure du courant principal 27 en entraînant la fibre en cours d'étirage et il doit posséder une énergie cinétique par unité de volume encore suffisante pour pénétrer dans ce courant principal.

Alors commence une deuxième étape de fibrage qui se déroule selon les principes expliqués en détail dans la publication française No 2223318 précitée.

Bien entendu, dans la région de pénétration des jets secondaires dans le courant principal, l'écoulement et la vitesse de chaque jet restent encore suffisamment concentrés au voisinage de l'axe pour que chacun des jets développe individuellement une zone d'interaction avec le courant. Ainsi, sur la fig. 5, une paire de tourbillons contrarotatifs indiquée en TT est engendrée dans la zone d'interaction, ce qui crée des courants provoquant un étirage supplémentaire de la fibre en cours de formation. Cette fibre est ensuite portée par l'écoulement combiné du jet et du courant principal vers un moyen de réception adéquat, par exemple le convoyeur 20 de la fig. 1.

On a représenté sur la fig. 5 l'induction d'air par des flèches orientées dans le sens de l'écoulement du jet, et on voit que l'air se trouve induit dans la zone laminaire voisine du bord de la plaque

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Les conditions opératoires qui peuvent être employées dans le dispositif décrit précédemment sont précisées dans la suite de la description qui définit aussi les domaines à l'intérieur desquels ces conditions peuvent varier.

Comme avec le premier mode de réalisation du dispositif décrit ci-dessus, les composants combustible et comburant peuvent être introduits dans le système des fig. 4,5 et 6 de différentes manières, qui seront envisagées plus loin.

On se reporte tout d'abord au dispositif représenté sur la fig. 7 qui porte les mêmes références numériques que celui de la fig. 4 pour leurs parties communes.

Un organe supplémentaire apparaît sur la fig. 7 pour introduire les composants combustible ou comburant dans la zone d'interaction. Une canalisation d'alimentation 35 pour le combustible et/ou le comburant est reliée à une série de buses d'émission 36 qui sont espacées et dirigées vers le courant principal de manière à envoyer le fluide dans une région adjacente à la zone d'interaction Z, et située immédiatement en amont de celle-ci. Sur la fig. 8, le courant principal engendré par le générateur 50 est émis par la tuyère 51 dans une zone limitée supérieurement par la plaque 52 et du côté inférieur par la plaque 53 incurvée vers le bas pour s'écarter du plan moyen du courant principal. Des tubes de refroidissement 53a peuvent être montés sur cette plaque inférieure si on le désire. La filière 55 pour l'alimentation en verre est pourvue d'une série d'orifices 56 distants les uns des autres, disposés sur la largeur du courant principal transversalement à la direction de propagation, de manière à amener des filets de matière étirable dans ce courant principal. Juste en amont des orifices d'alimentation en verre, la plaque supérieure 52 possède une série d'orifices d'émission de jets 29, chacun d'eux étant associé et aligné avec un orifice correspondant d'alimentation en verre. Les orifices 29 sont alimentés en fluide comprimé par le collecteur 54 relié aux conduits 54a et 54b.

La plaque 52 comprend de plus un autre collecteur 57 connecté à une série d'orifices successifs 57a disposés transversalement au courant principal, associés et alignés chacun avec un orifice d'alimentation en verre 56 et l'orifice correspondant d'émission de jet 29. .

Ce collecteur 57 est alimenté en combustible gazeux par la conduite 59 qui peut être reliée à une alimentation principale 60.

Une plaque aval 58 disposée le long d'une région périphérique du courant principal constitue une limite supérieure à celui-ci, et possède un tube de refroidissement 58a. Certains éléments de ce dispositif sont analogues à ceux de la fig. 11 dans la publication de brevet antérieur FR No 2223318.

Dans le mode de réalisation de la fig. 8, le combustible est introduit par exemple par les orifices 57a, tandis que l'air utilisé pour les jets secondaires arrive par les orifices 29, ce qui permet d'obtenir un mélange de combustible et de comburant dans la zone d'interaction avec le courant principal.

De plus, une introduction d'air additionnel peut être faite dans le courant principal en amont de la zone d'interaction au moyen de canaux d'alimentation, supérieur et inférieur 61 et 62, situés dans la région du raccordement du générateur de courant principal 50 avec la tuyère 51. Chaque canal d'alimentation est terminé par une fente ou une pluralité d'orifices d'alimentation schématisés en 63. Cette introduction d'air additionnel dans le courant principal sert en particulier à obtenir certaines conditions avantageuses, par exemple une température adéquate du courant principal, conditions qui sont liées à la technique de localisation de l'énergie. En effet,

lorsque la combustion du combustible est effectuée dans la zone d'interaction, il n'est pas nécessaire d'utiliser un courant principal dont la température est aussi élevée que celle exigée en l'absence de cette combustion localisée. Il en résulte qu'une importante économie de combustible peut être réalisée lors de l'élaboration du courant principal.

Il est bien évident que, pour produire un courant principal à température relativement basse et à la vitesse désirée, il est possible, au lieu d'avoir recours à l'introduction d'air additionnel, de supprimer complètement l'emploi d'un brûleur et de le remplacer par tout autre dispositif comprenant par exemple un échangeur de chaleur dans lequel les gaz du courant principal sont chauffés.

Avant d'envisager d'autres moyens pour amener le combustible et le comburant, on se réfère aux fig. 9a et 9b que l'on va comparer pour analyser le processus de localisation de l'énergie et l'économie d'énergie ou de combustible qui en résulte.

La fig. 9a représente les conditions dans lesquelles s'effectue l'étirage dans une zone d'interaction créée entre un jet et un courant principal, en l'absence de la technique de la localisation de l'énergie. La tuyère d'émission 64 engendre un courant principal ayant de préférence une largeur importante, c'est-à-dire une grande dimension dans une direction perpendiculaire au plan de la figure, de sorte que plusieurs paires d'organes d'alimentation en verre 65 et d'émetteur de jet 66 peuvent être associées au courant principal pour permettre la fabrication d'un grand nombre de fibres. Le filet de verre et le jet secondaire portent respectivement les références S et J, la zone d'interaction entre le jet et le courant principal étant indiqué en Z. Avec un tel dispositif et avec une composition de verre courante, la température du jet peut être soit de l'ordre de 800°C (comme décrit dans la publication de brevet FR No 2223318), soit très inférieure et voisine de l'ambiante (comme dans la demande de brevet FR No 76.03416). Dans ces deux cas, la température du courant principal varie entre 1500 et 1750°C, en fonction de la température du jet de manière à obtenir dans la zone d'interaction la température désirée pour effectuer l'étirage du filet de verre. On a indiqué, sur la fig. 9a, une température de 1700°C au voisinage des lèvres de la tuyère du courant principal dont le cœur C s'étend jusqu'à la zone d'interaction avec le jet, si bien que la zone dans laquelle se produit réellement l'étirage se trouve en fait une température intermédiaire entre celle du courant principal et celle du jet. En aval de la zone d'interaction, les lignes isothermes successives représentent la diminution progressive des températures, par exemple 1600,1400 et 1200°C.

La fig. 9b schématise exactement les mêmes éléments du dispositif que la fig. 9a, mais elle représente les conditions qui régnent lorsque la technique de localisation de l'énergie est appliquée. Dans ce but, l'émetteur de jet 65 peut être alimenté avec un mélange sous pression contenant un gaz combustible, tandis que de l'air additionnel ou de l'oxygène peuvent être amenés par la tuyère 64 fournissant le courant principal, les gaz de ce dernier étant, au moment de leur émission, à une température beaucoup plus basse que lorsqu'on opère dans les conditions de la fig. 9a. La température du courant principal peut être, par exemple, de l'ordre de 600°C à sa sortie de la tuyère, comme le montrent les lignes isothermes, et la température d'une grande partie des gaz décroît ensuite pour atteindre par exemple des valeurs d'environ 400,300 et 200° C dans des zones situées en aval de la tuyère et correspondant à celles des lignes isothermes 1600,1400 et 1200°C de la fig. 9a.

Bien qu'il soit possible d'amener le combustible au moyen du courant principal, on préfère que ce combustible constitue en partie le jet secondaire, c'est-à-dire qu'il soit introduit dans les gaz du jet secondaire tel que décrit ci-dessus. Ainsi le jet J sert non seulement à créer la zone d'interaction dans laquelle le filet de verre S est amené, mais il apporte de plus, dans celle-ci, un composant combustible qui est mélangé intimement au comburant, en particulier à l'excès d'air, apporté dans la zone d'interaction par le courant principal. Grâce à la présence de courants tourbillonnaires dans la zone d'interaction, il est possible d'obtenir le mélange très intime que l'on recherche.

En ce qui concerne les proportions du combustible et du comburant, on notera tout d'abord qu'il est préférable d'utiliser des proportions stoechiométriques. Cependant, un mélange combustible peut être obtenu même avec des proportions s'écartant de la stœchiométrie. Ainsi, dans le cas d'un mélange avec du gaz naturel, la quantité d'air peut varier dans un domaine compris entre environ

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

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0,8 et 1,7 fois la quantité d'air correspondant aux proportions stœchiométriques. Ces quantités appropriées de comburant et de combustible forment dans la zone d'interaction un mélange combustible qui présente un point d'inflammation inférieur aux températures des compositions de verre fondu ordinairement em- 5 ployées pour le fibrage, de sorte que le filet de verre amené pour être introduit dans la zone d'interaction peut enflammer ou allumer le mélange combustible formé dans celle-ci. En conséquence la température désirée, par exemple 1700°C, peut être atteinte dans la zone d'interaction Z et permettre ainsi l'étirage du filet de matière î o et sa transformation en fibre, bien que la température du courant principal à la fois en aval et en amont de ladite zone soit très inférieure à cette valeur. On notera de plus que la zone d'interaction créée avec chacun des jets peut ne comprendre qu'une très faible partie du volume total du courant principal. Or, puisque seule 15 cette partie doit nécessairement atteindre les températures plus élevées exigées pour l'étirage, une très grande économie d'énergie est ainsi obtenue par la technique comparativement aux systèmes dans lesquels le volume total du courant principal est porté à la température d'étirage. 20

Il est important de remarquer aussi que la technique d'étirage dans une zone d'interaction est particulièrement bien adaptée à la localisation d'énergie thermique du fait de la présence d'une région à basse pression et à basse vitesse qui est formée au voisinage immédiat de chaque filet de verre et entourent en général celui-ci, 25 sans qu'il soit nécessaire d'interposer un autre élément matériel.

Le combustible ou le comburant peuvent ainsi être injectés dans la zone d'interaction pour former le mélange combustible, tandis que la présence du verre chaud permet d'enflammer ce mélange. Les courants tourbillonnaires à grande vitesse, ou tourbillons, caracté- 30 ristiques de la zone d'interaction, sont utiles dans la technique de localisation d'énergie pour effectuer un mélange intime du combustible et du comburant, comme déjà précisé. D'autre part, ces courants tourbillonaires se déplaçant tantôt dans le sens du courant, tantôt à contre-courant, il existe nécessairement dans la 35 zone d'interaction des régions à vitesse d'écoulement relativement faible par rapport à celle du courant principal. Or, l'existence de telles régions à faible vitesse d'écoulement constitue une des conditions pour que l'inflammation du mélange combustible se produise et qu'une combustion stable puisse être maintenue. On 40 souligne l'importance de cette caractéristique en rappelant qu'avec un mélange de gaz naturel et d'air, la vitesse de propagation de la flamme est de l'ordre de 0,3 à quelques mètres par seconde à 20°C.

Bien que cette vitesse de propagation de flamme augmente avec une élévation de température, elle reste cependant toujours très basse 45 comparativement à la vitesse du courant principal. Néanmoins, la zone d'interaction étant aussi caractérisée par la présence dans certaines régions d'un écoulement à vitesse inférieure à la vitesse de propagation de la flamme, il est possible d'enflammer le mélange combustible et de maintenir une combustion stable. Les raisons sq invoquées précédemment semblent pouvoir expliquer les phénomènes d'inflammation et de stabilité de la combustion dans la zone d'interaction, mais il est probablement possible de trouver d'autres explications à ce phénomène.

De plus, dans le dispositif décrit en référence à la fig. 9b, le front ss de flamme a tendanee à adhérer à la source d'ignition, c'est-à-dire au filet de verre lui-même ou au filet de matière que l'on désire élever ou maintenir à la température d'étirage appropriée. Il est en effet possible d'obtenir cet accrochage de la flamme, d'une part,

parce que la température du verre est très supérieure à la température d'inflammation du mélange et peut atteindre par exemple le double de celle-ci et, d'autre part, parce qu'au contact de la surface du filet de verre se développe une couche limite de mélange combustible qui est portée aux conditions d'inflammation par la chaleur dégagée par le verre. Il en résulte donc qu'une couche en combustion se trouve 65 autour du verre et déclenche dans les couches adjacentes et dans la zone d'interaction une combustion localisée et stable restant accrochée au filet de verre en cours d'étirage.

Etant donné qu'une grande partie des échanges de chaleur avec le filet de verre se fait par contact des gaz chauds avec sa surface, le procédé décrit assure de façon efficace le transfert de chaleur nécessaire au maintien du filet de verre dans un état étirable puisque la zone dans laquelle se dégage une chaleur intense est précisément celle qui enveloppe immédiatement ledit filet.

Un autre avantage du procédé décrit consiste en ce que, avec un grand nombre de compositions de verre, la résistance mécanique des fibres produites se trouve augmentée lorsque la température de la fibre est diminuée rapidement dès la fin de l'étirage. Or, ces conditions favorables sont ici réalisées, comme le montrent clairement les isothermes de la fig. 9b.

Dans le dispositif représenté sur les fig. 1,2 et 3, la paire de jets gazeux a-a peut ainsi contenir le composant combustible nécessaire pour atteindre le résultat recherché, et sert en conséquence non seulement à entraîner le verre dans la zone d'interaction avec le courant principal, mais aussi à introduire le combustible dans celle-ci, l'air pouvant être amené dans le système au moyen du courant principal 10, comme sur la fig. 9b. De cette façon, et en choisissant des températures de jet et de courant principal telles que celles indiquées précédemment en référence à cette figure, la localisation de l'énergie et l'économie de combustible recherchées peut être obtenue.

De même pour le mode de réalisation des fig. 4,5 et 6, il est possible d'introduire, si on le désire, la totalité du composant combustible avec le jet gazeux, l'air pouvant être amené en même temps que le courant principal, de préférence avec un abaissement simultané de la température de ce dernier à des valeurs telles que celles suggérées ci-dessus en relation avec la fig. 9b afin d'économiser au maximum l'énergie.

Pour les variantes des fig. 7 et 8, le combustible peut être introduit indépendamment du jet, c'est-à-dire séparément, comme déjà précisé. En ce qui concerne le comburant, et en particulier l'air, il peut être amené soit au moyen du jet lui-même, soit par le courant principal, soit par les deux.

La fig. 8 représente un mode de réalisation du dispositif utilisé pour introduire de l'air avec le courant principal, dans lequel l'air est ajouté à cet écoulement près de la tuyère d'émission 51. Par ce moyen, on peut obtenir le volume total de gaz nécessaire et la température désirée en ne brûlant, par exemple, qu'un faible volume des gaz destinés à former le courant principal, le processus de combustion localisée ayant lieu ensuite dans les zones d'interaction qui entourent les filets de matière, afin de produire localement l'élévation de température exigée pour l'étirage, comme expliqué en référence à la fig. 9b.

Le processus de localisation de l'énergie présente aussi des avantages particuliers pour l'étirage de certaines catégories de matière, telles que certains types de roches et d'autres matières minérales naturelles ou synthétiques pour lesquels le domaine de température d'étirage est particulièrement étroit. Sur le graphique de la fig. 10 ont été reportées les variations de la viscosité -q en fonction de la température t pour deux types différents de matière étirable, l'une, 10a, étant un verre utilisé couramment pour le fibrage, tandis que l'autre, 10b, correspond à une roche naturelle pour laquelle le domaine de température conduisant à des viscosités adéquates pour l'étirage est très restreint. On constaté sur ce graphique que le domaine de viscosité situé entre les points A et B, et permettant l'étirage, correspond, pour le verre, à un domaine de température ta—tb beaucoup plus étendu que pour la roche (domaine de température t'a—t'b).

En introduisant le combustible en quantité appropriée dans la zone d'interaction du courant principal, la zone où règne la température convenable pour l'étirage de la roche ou de toute matière similaire peut être étendue vers l'aval en facilitant ainsi le maintien de la viscosité désirée pendant une période plus longue.

En ce qui concerne les dispositifs où les processus d'étirage tels que ceux représentés sur les fig. 1 à 3,4 à 6,7, dans lesquels le filet de matière étirable est soumis à l'action du jet avant pénétration de i

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8

ce dernier dans le courant principal, il faut noter que, même si le combustible et le comburant sont tous deux présents dans l'écoulement à l'endroit où le filet de matière étirable est amené dans celui-ci, l'inflammation ne se produira pas nécessairement à cet endroit. Elle peut même, en fonction des différentes conditions opératoires choisies, telles que, par exemple, la température du jet ou sa vitesse, ne pas avoir lieu tant que le jet n'a pas atteint le courant principal ou n'a pas pénétré dans ce dernier.

Les valeurs des différents paramètres contenues dans la suite de la description correspondent à des conditions opératoires qui peuvent être utilisées mais ne présentent aucun caractère limitatif. En particulier bien que le combustible donné à titre d'exemple soit le gaz naturel, il peut cependant être constitué de gaz synthétique ou d'un mélange, certains combustibles liquides étant aussi utilisables sous forme pulvérisée ou vaporisée.

Avec un centre de fibrage du type représenté sur les fig. 1 à 3, le courant principal 10 est engendré à partir d'air réchauffé et comprimé et il possède une température d'environ 600e C; sa vitesse est voisine de 300 m/s et sa pression est d'environ 0,18 bar. Les axes des deux jets secondaires forment un angle de 60°. L'un de ces jets comprend un mélange de 1 partie en volume de gaz naturel et de 5 3 parties d'air, et le second jet est constitué de 4 parties en volume d'air. La température des jets est d'environ 20° C, ils possèdent d'autre part une vitesse voisine de 330 m/s et une pression d'environ 2,5 bars. Le filet de verre est amené à une température d'environ 1300°C.

io Avec un centre de fibrage tel que celui décrit sur la fig. 7, les mêmes conditions que celles mentionnées ci-dessus peuvent être utilisées pour le courant principal 27. Le jet est formé d'air à une température de 20° C, une vitesse de 330 m/s et une pression de 2,5 bars. Dans ce cas, l'alimentation en gaz naturel est effectuée par 15 l'organe émetteur 36 à une pression d'environ 0,5 bar et à une vitesse de 200 m/s. Le verre est débité par le téton d'alimentation 34 à une température voisine de 1300 C.

R

7 feuilles dessins i

Claims (17)

1. 624 650

   2

   REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication de fibres à partir d'une matière thermoplastique minérale dans lequel sont engendrés un courant gazeux principal et un jet gazeux secondaire dont la section présente, transversalement au courant principal, une dimension inférieure à celle de ce dernier, l'énergie cinétique par unité de volume du jet secondaire étant supérieure à celle du courant principal, le jet étant dirigé transversalement au courant principal et y pénétrant pour créer une zone d'interaction qui comporte des courants tourbillon-naires et selon lequel un filet de matière étirable est amené dans la zone, caractérisé en ce que les courants de gaz dans la zone d'interaction contiennent des composants combustible et comburant en des proportions conduisant à un mélange combustible et en ce que le filet de matière étirable est amené dans la zone à une température au moins égale à la température d'inflammation du mélange.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les composants combustible et comburant sont en proportion approximativement stœchiométrique dans la zone d'interaction.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'un des composants introduits dans la zone d'interaction constitue au moins une partie du jet ou du courant principal.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des composants introduits dans la zone d'interaction constitue au moins une partie du jet, l'autre composant introduit dans cette zone constituant au moins une partie du courant principal.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le combustible introduit dans la zone d'interaction constitue une partie du jet et le composant comburant au moins une partie du courant principal.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le comburant introduit dans la zone d'interaction constitue une partie du jet secondaire ou du courant principal et en ce que le composant combustible est introduit dans ladite zone en engendrant un jet de combustible gazeux sous pression dirigé vers le courant principal et entrant dans la région de la zone d'interaction.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le jet de combustible dirigé vers le courant principal entre dans celui-ci en un point situé en amont du jet secondaire.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le composant combustible est introduit dans la zone d'interaction en engendrant un jet de combustible gazeux sous pression dirigé vers le courant principal et entrant dans celui-ci en amont du jet secondaire et en ce que le comburant est introduit dans le courant principal sous forme d'air amené sous pression dans ce dernier en amont du jet de combustible.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température du courant principal dans une région située en amont de la zone d'interaction est inférieure à celle du filet de matière étirable amenée dans ladite zone.
10. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant comburant est introduit dans la zone d'interaction sous la forme d'au moins une partie du courant principal, le composant combustible étant introduit dans ladite zone indépendamment du jet et du courant principal.
11. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on engendre un courant gazeux principal et une pluralité d'écoulements gazeux secondaires ayant chacun une section dont la dimension, dans une direction transversale au courant principal, est inférieure à celle de ce dernier et possédant chacun une énergie cinétique par unité de volume supérieure à celle du courant principal, chaque écoulement secondaire étant dirigé transversalement au courant principal et y pénétrant pour créer ainsi une zone d'interaction, que l'on amène un filet de matière thermoplastique dans chaque zone d'interaction et que l'on forme un mélange combustible d'un comburant et d'un combustible dans chacune des zones d'interaction et que l'on enflamme ce mélange dans chacune desdites zones.
12. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque zone d'interaction est alimentée en combustible par les écoulements secondaires correspondants.
13. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque zone d'interaction est alimentée en comburant par les écoulements secondaires correspondants.
14. 14. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un générateur de courant principal, un organe émetteur d'un jet gazeux secondaire muni d'un orifice d'émission dont la dimension ou largeur, transversalement au courant principal, est inférieure à celle de l'orifice de sortie de ce dernier, le jet étant dirigé pour intersecter le courant principal et pénétrer dans celui-ci en créant une zone d'interaction, et une source d'alimentation amenant un filet de matière fondue dans la zone d'interaction, caractérisé en ce qu'il comprend un organe indépendant pour introduire le combustible dans la zone d'interaction.
15. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'organe d'introduction du combustible est muni d'un orifice placé à la limite du courant principal.
16. 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'organe d'introduction du combustible comprend un émetteur dont l'orifice est situé à distance de la limite du courant principal.
17. 17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'organe pour introduire le combustible est disposé de sorte qu'il amène le combustible dans le courant principal en amont de la zone de pénétration du jet secondaire dans ce dernier.