EP3098551B1 - Dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d'un boîtier radiant - Google Patents

Dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d'un boîtier radiant Download PDF

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EP3098551B1
EP3098551B1 EP16170967.0A EP16170967A EP3098551B1 EP 3098551 B1 EP3098551 B1 EP 3098551B1 EP 16170967 A EP16170967 A EP 16170967A EP 3098551 B1 EP3098551 B1 EP 3098551B1
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radiant
heating device
housing
heat
tubes
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Alexandre LHOEST
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    • F27D2099/0061—Indirect heating

Definitions

  • the present invention relates to an indirect radiative heating device in the form of a radiant housing having two end walls and two side walls and comprising at least one heat source.
  • Such a heating device based on the use of heat propagating by radiation / radiation (this is called radiant / radiant heat) from a radiant element (in particular made of a metal alloy or ceramic), is particularly used in heat treatment furnaces in which are treated typically metal products (such as bars, tubes, strips) but also, for example, products of other materials such as ceramics.
  • directly heating it is understood that the heating is not carried out directly between the heat source (flame in the case of a combustion) and the product to be treated.
  • the document FR1315564 discloses a particular type of heater having an elliptical shape, i.e. a shape which is constituted by an infinity of circular arcs and which can be obtained, by definition, as an envelope of the family of circles whose diameters are the parallel strings of a given circle.
  • An ellipse is actually a closed planar curve generated by a point moving so that its distance from a fixed point divided by its distance from a fixed line is a positive constant value less than 1.
  • each radiant element comprises at least one heat source, which may for example be in the form of a burner provided with at least one injector of a combustible product, at least one inlet of a oxidizer and at least one combustion gas outlet so that, fed with a gaseous or liquid fuel product and with oxidant, the burner develops a flame within the radiant element from which heat is then radiated to the products to be treated.
  • a heat source which may for example be in the form of a burner provided with at least one injector of a combustible product, at least one inlet of a oxidizer and at least one combustion gas outlet so that, fed with a gaseous or liquid fuel product and with oxidant, the burner develops a flame within the radiant element from which heat is then radiated to the products to be treated.
  • the radiant elements currently used and known in the state of the art consist of radiant tubes of which different forms are proposed.
  • a first type of radiant tube is that of "W” which is composed of four strands of circular section and a second type of radiant tube is the "double P" which is composed of three substantially circular hollow section strands.
  • other forms of radiant elements have been proposed such as radiating cassettes (see below).
  • the heat transfer depends on the overall heat-emitting surface (i.e. of all the surfaces of the radiant elements from which heat is radiated), the factor of view (or form factor) and the difference in temperature (as characterized by the law of Stefan Boltzmann concerning transfers radiation) between the radiating surface and the product to be treated.
  • the view factor or form factor defines the proportion of the total flux (heat) emitted by a first surface (S1) and arriving on a second surface (S2).
  • the overall heat-emitting surface is formed by a series of parallel tubes and generally placed transversely to the direction of movement of the product, in the case of a scroll.
  • These tubes radiate heat towards the product but, at the same time, by their positioning side by side and / or one above the other. on the other hand, these same radiant tubes irradiate each other (mutual radiations). Indeed, significant surfaces of successive radiant tubes face each other, a surface of a given radiant element intercepting the radiation of another given successive radiant tube, this not allowing to ensure optimal heating of the product but leading to a mutual overheating of the tubes which, in some cases, transmit heat to one another by radiation.
  • this has the effect of limiting the heat transfer to the product to be treated since a significant amount of heat is prevented from being transmitted to the latter.
  • two elements / radiant tubes known from the state of the art follow one another (are placed side by side or one above the other), they are "embarrassed” one of them. other and a loss of effective area of radiation is observed for each of these elements / radiant tubes.
  • this phenomenon of mutual radiation causes a loss of the heating capacity of the successive elements / radiating tubes, that is to say of tubes placed side by side or one above the other.
  • the fraction of the radiation emitted by one element / tube and intercepted by the surface of another element / tube is not negligible, which results in a low value of factor of view towards the product to be treated and a value of high sighting factor between radiant elements (tubes or cassettes).
  • the document EP 1203921 proposes an indirect heating device by radiation in the form of a radiating cassette having a parallelepipedal shape. More specifically, this cassette contains a combustion channel whose end is connected to a burner fed with oxidant and combustible product via at least two injectors, the other end of the channel being open to allow a flow of gases of combustion. An evacuation of these combustion gases is provided via a combustion gas outlet present on the surface of the radiant cassette.
  • a flame is developed in a combustion channel that radiates heat towards the walls of the parallelepiped formed by the cassette, which walls then radiate heat in turn to the products to be treated.
  • the object of the invention is to overcome at least this problem that remains in the state of the art by providing a heating device that is both efficient and that is to say that has an optimized view factor between radiant housings and elements to be used.
  • treat here, the optimization seeks an increase of this factor of view
  • between successive radiant boxes here, the optimization seeks a reduction of this factor of view
  • the invention also aims to provide a heating device for improving the homogeneity of the temperatures of the radiating walls, in order to ensure a homogeneous heating of the elements to be treated.
  • a heating device as indicated at the beginning characterized in that said radiant housing has front walls joining so that the housing has, in cross section, a lenticular shape presenting a rope C.
  • chord is defined as a segment that joins two points of the circle, the chord that passes through the center of the circle being the diameter.
  • rope C is the segment which cuts longitudinally the lenticular shape in two parts as illustrated by way of example in cross-section at the figure 3 .
  • the housing has, in cross section, a lenticular shape
  • the radiant housing comprises front walls that meet at least one end of the rope C of the shape lenticular by forming an edge or a light-flat and not a flat surface as would be the case if the housing had a parallelepiped shape, nor a continuous curved surface as would be the case if the housing had an elliptical shape.
  • the edge formed at the point where the front walls of the radiant housing (that is to say at least one end of the rope C of the lenticular shape) meet can have the size a weld bead, which in some cases may be relatively wide.
  • the end walls may have, in cross section, at least one curved portion which may be preceded or succeeded by one or more other parts (facets) rectilinear or curved, the succession of all these parts forming a wall frontal substantially and generally lenticular. It is provided according to the invention that the front walls can be formed solely of elements (parts) curved or only elements (parts or facets) rectilinear.
  • the lenticular shape in a transverse section (cross section), is a discontinuous form, that is to say a shape having at least one "break angular "forming for example an angular end, for example in the form of an intersection or a tip. It is therefore certainly not, unlike an elliptical form as disclosed in the document FR1315564 , of a form continuous constituted by an infinity of arcs of circle and which can be obtained like an envelope of the family of circles whose diameters are the ropes with parallel supports of a given circle. Similarly, it is certainly not a plane curve generated by a point moving so that its distance from a fixed point divided by its distance from a fixed line is a positive constant value less than 1.
  • a heat source is meant, within the meaning of the present invention, any element or device allowing a heat input within the radiant housing.
  • the heat source may be in the form of at least one burner provided with at least one injector of a combustible product, at least one inlet of an oxidizer and at least one a combustion gas outlet.
  • the heat source according to the invention could also be in the form of an electrical resistance or in any other form.
  • such a radiant box having, in cross-section, a lenticular shape makes it possible to significantly minimize the mutual radiation between two successive housings and to optimize the view factor not only between one or more radiant elements (housings) and one or more elements to be treated (increase of the value of the factor of view) but also between successive radiant elements (housings) (decrease of the value of the factor of view).
  • the fraction of the radiation emitted by each of the housings and being intercepted by the products to be treated is optimized and improved compared to devices of the state of the art (increased view factor value) with, in parallel , a reduction of the value of view factor between two successive housings.
  • the heating device according to the invention is in the form of a radiant housing whose front walls are joined in such a way that the housing has, in cross section, a lenticular shape.
  • the casing according to the invention has substantially convex front walls which join at least one end of the rope C of the lenticular shape by forming an edge: the front walls do not join forming a flat surface ( as would be the case for a parallelepiped radiating unit) and do not join by forming a curvature (as it would be the case for an elliptical radiant box) but a ridge or a slight flat.
  • the heating device according to the invention has increased performance ensuring a homogeneity of the temperature of the radiating walls of the radiant housing, this by reducing the power per cubic meter of volume compared to the conventional radiant tubes described above but also with respect to the radiant cassette described in the document EP 1203921 .
  • the radiant housing has a biconvex lenticular shape.
  • a biconvex lenticular shape better approximates the radiative characteristics of an optimum radiant element which would be a thin continuous radiating flat surface.
  • the front walls of the heating device according to the invention are joined to at least one end of the rope C of the lenticular shape by forming for example an edge or a slight flat.
  • a junction of the end walls has been determined, in the context of the present invention, as being as close as possible to the radiative characteristics of an optimum radiant element which would be a thin continuous flat surface. radiant. It has indeed been determined that such a junction conferring a biconvex lenticular shape to the heating device in the form of a radiant housing is adequate both for minimizing mutual radiation between successive housings and for ensuring optimal heating of the products to be treated. .
  • This optimum heating of the products to be treated and this mutual radiation minimization between successive housings are obtained by optimizing the values of factors of view not only between a radiant element (housing) and an element to be treated but also between successive radiant elements (housings). .
  • said lenticular shape in a cross-section of the housing according to the invention has a main radius of curvature R such that the ratio between this main radius of curvature R and a pitch P defined between the two centers of two successive housings is greater than 0 5.
  • a ratio greater than 0.5 between this main radius of curvature R and the pitch P defined between two successive housings is adequate in order to ensure optimum heating by radiation, it is in order to obtain an adequate factor of view both between a radiant element (housing) and an element to be treated but also between successive radiant elements (housings), this resulting in a significant minimization of the mutual radiations between two housings successive.
  • the heating device according to the invention comprises at least one internal gas flow channelization and / or stiffening element.
  • said at least one internal element is in the form of a plate and / or a structure, any other shape and / or structure of these internal elements being suitable being covered by the present invention.
  • the presence of at least one internal element makes it possible to channel the flow of gas from the combustion if it is arranged to constitute a partial or total separation between the flame and the part (s) adjacent to the flame zone of the housing.
  • Such an element also allows the development of combustion in an adjacent channel (s) and / or provides a role of stiffening and maintaining the system by containing the walls of the radiant housing.
  • This element can also be used to control the deformation of the heating device.
  • the structure can be a structure as simple as a rod.
  • the front walls of the heating device according to the invention may be profiled with corrugations of any shape or with crenellations of any shape, in order to increase the exchange surface of the heating device according to the invention.
  • the heating device in the case of a combustion heat source, comprises an internal and / or external heat recovery unit.
  • the internal or external heat recovery of the heating device according to the invention is a regenerative heat exchanger. It is advantageous to provide such a regenerative heat exchanger which allows a better heating of the fuel product and / or the oxidant so as to optimize the combustion efficiency achieved in the housing.
  • the subject of the invention is also an oven for the heat treatment of products, in particular for the heat treatment of bars, tubes, strips or else generally metallic parts or any other material such as ceramic, said oven comprising at least one heating device according to the invention.
  • the subject of the invention is also a use of a heating device according to the invention for the heat treatment of bars, tubes, strips or generally metal parts or any other material such as ceramic.
  • the figure 1 illustrates, in a perspective view, the heating device 1 according to the invention.
  • the heating device 1 is in the form of a lenticular-shaped housing (biconvex) in its cross section.
  • This housing is composed of two substantially convex frontal walls 2 joining at their upper part and at their lower part, ie at each end of the rope C of the lenticular shape, forming an edge 3 , 3 '.
  • a location 4, for a heat source passes through a side wall 5 of the heater 1 and a second side wall (not visible) closes the end of the housing opposite the side wall 5 accommodating the location 4 for a source of heat.
  • This second side wall is connected to a fastening means and / or attachment 6 of the housing when it is placed in a furnace.
  • the figure 2 is a side view showing the same elements as those shown in figure 1 where are visible internal elements 7 of gas flow pipe and / or reinforcing in the form of plates.
  • the figure 3 is seen in section along axis III-III (as illustrated in figure 2 ) of the heating device 1 in the form of a lenticular-shaped housing in its cross section, this lenticular shape having an arrow F and a rope C.
  • This housing is composed of two substantially convex front walls 2, 2 ' joining at their upper part and in their lower part, that is to say at each end of the rope C of the lenticular form, forming there an edge 3, 3 '.
  • the heater 1 accommodates a location 4 for a heat source, said location 4 having a circular section in the illustrated embodiment.
  • a flame develops in the heating device 1, that is to say in the housing, centrally according to the mode illustrated embodiment.
  • internal elements 7 gas flow pipe and / or reinforcement are present, they also constitute a screen between the central flame and the adjacent parts in the center of the housing and can channel the flow of gas associated with combustion.
  • the figure 4 is a schematic representation of a particular furnace 8 comprising a plurality of heating devices 1, 1 'according to the invention.
  • a band 9 is then heated on its two faces by each of the heating devices 1, 1 'passing in front of the front faces 2, 2' of these latter. Due to the biconvex lenticular shape of the heating device 1, 1 'according to the invention, the metal strip 9 is subjected to homogeneous heating all along its path in the furnace 8, the mutual radiation between successive housings 1, 1' being significantly minimized.
  • This biconvex lenticular shape of the heating devices according to the invention makes it possible, as indicated above, to optimize the values of view factors both between radiating elements (housings) and an element to be treated but also between successive radiant elements (housings). .
  • the figure 5 is a schematic representation of two heating devices 1, 1 'which are placed one above the other, as is for example the case in a furnace 8 according to the invention.
  • two successive housings 1, 1 'according to the invention are placed one above the other, only edges 3, 3' face each other, which significantly minimizes the mutual radiation between these same housings. 1, 1 'and which optimizes the factors of view of each of the heating devices 1, 1' according to the invention.
  • the housing 1, 1 ' has, in cross section, a lens shape (lenticular shape) whose main radius of curvature R is such that the ratio between this main radius of curvature R and the pitch P defined between two successive housings 1,1 'is greater than 0.5.
  • a lens shape lenticular shape
  • the figure 6 is a schematic representation of another heating device according to the invention having a lenticular shape in the sense of the invention since the housing 1 has front walls each composed of three facets f 1 ', f 1 ", f 1 2 ', f 2' ', f 2 "', these walls joining so that the housing has, in cross section, a lenticular shape according to the invention having a rope C. More particularly, the front walls are joined at each end of the rope C of the casing 1 as represented in FIG. figure 6 forming an edge (3, 3 '). This makes it possible to significantly minimize the mutual radiation between housings and to optimize the view factors of the heating devices according to the invention.
  • the heating device presented to the figure 6 is only illustrative and another heating device according to the invention could have a high number of facets generally forming a front wall of lenticular shape in cross section according to the invention.
  • Example 1 Comparison of the power per cubic meter of volume of the combustion space for different types of radiant elements
  • the power per cubic meter of volume of the combustion space is significantly reduced compared to those observed with the radiant tubes and the cassette radiant of the state of the art. This results in a significant improvement in the temperature homogeneity of the flame and thus the radiating walls. Significantly more homogeneous radiant heating is thus obtained with a heating device according to the present invention.
  • the factor of view values were calculated according to the cross-string method well known to those skilled in the art.
  • the factor of sight between successive radiant elements is optimized when it is well to minimize this factor of view, that is to say to minimize the total flow of heat emitted from a surface (S 1 ) a first radiant housing and arriving on a surface (S 2 ) of a second radiant housing.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d'un boîtier radiant présentant deux parois frontales et deux parois latérales et comprenant au moins une source de chaleur.
  • Un tel dispositif de chauffage, reposant sur l'utilisation de chaleur se propageant par radiation/rayonnement (on parle alors de chaleur radiante/rayonnante) au départ d'un élément radiant (notamment fabriqué en un alliage métallique ou en céramique), est notamment utilisé dans des fours de traitement thermique au sein desquels sont traités des produits typiquement métalliques (comme des barres, des tubes, des bandes) mais aussi, par exemple, des produits en d'autres matériaux comme de la céramique.
  • Par les termes « chauffage indirect », il est entendu que le chauffage ne s'effectue pas directement entre la source de chaleur (flamme dans le cas d'une combustion) et le produit à traiter.
  • Le document FR1315564 divulgue un type particulier de dispositif de chauffage présentant une forme elliptique, c'est-à-dire une forme qui est constituée par une infinité d'arcs de cercle et qui peut être obtenue, par définition, comme une enveloppe de la famille des cercles dont les diamètres sont les cordes à supports parallèles d'un cercle donné. Une ellipse est en fait une courbe plane fermée générée par un point se déplaçant de telle sorte que sa distance par rapport à un point fixe divisée par sa distance par rapport à une ligne fixe est une valeur constante positive inférieure à 1.
  • Généralement, les fours de traitement thermique comprennent toute une série d'éléments radiants placés les uns au-dessus des autres et/ou les uns à côté des autres selon des rangées verticales et/ou horizontales. Généralement, les produits à traiter défilent verticalement et/ou horizontalement vis-à-vis de ces éléments et/ou entre ces éléments au départ desquels est émise de la chaleur radiante. A cette fin, chaque élément radiant comprend au moins une source de chaleur, laquelle peut par exemple se présenter sous la forme d'un brûleur muni d'au moins un injecteur d'un produit combustible, d'au moins une entrée d'un comburant et d'au moins une sortie de gaz de combustion de telle sorte que, alimenté en un produit combustible gazeux ou liquide et en comburant, le brûleur développe une flamme au sein de l'élément radiant au départ duquel rayonne alors de la chaleur vers les produits à traiter.
  • Principalement, les éléments radiants actuellement utilisés et connus de l'état de la technique consistent en des tubes radiants dont différentes formes sont proposées. Par exemple, un premier type de tube radiant est celui en « W » qui est composé de quatre brins de section circulaire et un second type de tube radiant est celui en « double P » qui est composé de trois brins de section creuse sensiblement circulaires. Toutefois, d'autres formes d'éléments radiants ont été proposées comme par exemple des cassettes radiantes (voir ci-après).
  • Dans les procédés de traitement thermique réalisés par défilement continu ou non de produits (comme par exemple des bandes métalliques) devant des éléments radiants disposés dans un four, le transfert de chaleur dépend de la surface globale émettrice de chaleur (c'est-à-dire de l'ensemble des surfaces des éléments radiants au départ desquelles de la chaleur est rayonnée), du facteur de vue (ou facteur de forme) et de l'écart de température (tel que caractérisé par la loi de Stefan Boltzmann concernant les transferts par radiations) entre la surface rayonnante et le produit à traiter.
  • Notons que, par définition, le facteur de vue ou facteur de forme permet de définir la proportion du flux total (de chaleur) émis par une première surface (S1) et arrivant sur une deuxième surface (S2). Dans la pratique, la surface globale émettrice de chaleur est formée par une série de tubes parallèles et généralement placés de façon transversale par rapport au sens de déplacement du produit, dans le cas d'un défilement.
  • Ces tubes, installés suivant la pratique dans un four selon des rangées verticales et/ou horizontales, rayonnent de la chaleur vers le produit mais, en même temps, de par leur positionnement côte à côte et/ou l'un au-dessus de l'autre, ces mêmes tubes radiants s'irradient l'un l'autre (radiations mutuelles). En effet, des surfaces significatives de tubes radiants successifs se font face, une surface d'un élément radiant donné interceptant le rayonnement d'un autre tube radiant successif donné, ceci ne permettant pas d'assurer un chauffage optimal du produit mais menant à une surchauffe mutuelle des tubes qui, dans certains cas de figures, se transmettent de la chaleur l'un à l'autre par rayonnement.
  • D'une part, ceci a pour conséquence de limiter le transfert de chaleur vers le produit à traiter puisqu'une quantité de chaleur non négligeable est empêchée d'être transmise vers ce dernier. En effet, dès lors que deux éléments/tubes radiants connus de l'état de la technique se succèdent (sont placés côte à côte ou l'un au-dessus de l'autre), ils se « gênent » l'un l'autre et une perte de surface efficace de radiation est observée pour chacun de ces éléments/tubes radiants. Typiquement, ce phénomène de radiation mutuelle entraine une perte de la capacité de chauffage des éléments/tubes radiants successifs, c'est-à-dire de tubes placés côte à côte ou l'un au-dessus de l'autre.
  • D'autre part, les formes actuellement connues des tubes radiants de l'état de la technique contribuent à la création d'un gradient de température le long des tubes radiants, ce gradient de température ayant notamment un impact considérable sur la longévité des tubes radiants.
  • En résumé, dans la pratique, avec de tels éléments radiants sous forme de tubes, plusieurs problèmes non négligeables sont donc rencontrés dont notamment la présence d'un gradient de température le long des tubes mais aussi le phénomène de rayonnement mutuel entre tubes successifs qui est responsable d'une perte de capacité de chauffage du produit à traiter par chacun des tubes. Cette perte de capacité de chauffage est liée à la présence de nombreux tubes radiants dans les fours et au peu d'espace libre entre ces derniers. II convient en effet de disposer de suffisamment de tubes pour atteindre une capacité de chauffage suffisante mais un grand nombre de tubes amplifie le phénomène de radiation mutuelle. Ceci se traduit par une dégradation du facteur de forme (ou facteur de vue) vers le produit à traiter (bande, ...) qui n'est dès lors pas optimal pour le chauffage par rayonnement. En effet, avec les éléments radiants connus de l'état de la technique, la fraction de la radiation émise par un élément/tube et interceptée par la surface d'un autre élément/tube n'est pas négligeable, ce qui se traduit par une faible valeur de facteur de vue vers le produit à traiter et par une valeur de facteur de vue élevée entre éléments radiants (tubes ou cassettes).
  • A noter que si une valeur de facteur de vue aussi grande que possible est souhaitable entre les éléments radiants (tubes ou boîtiers) et un élément à traiter, une valeur de facteur de vue aussi faible que possible est au contraire souhaitable entre des éléments radiants (tubes ou boîtiers) se succédant.
  • Afin de tenter de faire face à ces inconvénients, le document EP 1203921 propose un dispositif de chauffage indirect par rayonnement sous la forme d'une cassette radiante présentant une forme parallélépipédique. Plus spécifiquement, cette cassette renferme un canal de combustion dont une extrémité est reliée à un brûleur alimenté en comburant et en produit combustible par l'intermédiaire d'au moins deux injecteurs, l'autre extrémité du canal étant ouverte pour permettre une circulation des gaz de combustion. Une évacuation de ces gaz de combustion est prévue via une sortie de gaz de combustion présente à la surface de la cassette radiante. Avec un tel dispositif de chauffage selon le document EP 1203921 , une flamme est développée dans un canal de combustion qui rayonne de la chaleur vers les parois du parallélépipède formé par la cassette, lesquelles parois rayonnent alors de la chaleur à leur tour vers les produits à traiter.
  • Par ailleurs, même si ce document antérieur décrit un dispositif de chauffage présenté comme ayant des performances accrues assurant une homogénéité de la température des parois rayonnantes de la cassette et un facteur de vue amélioré, il n'en demeure pas moins que des radiations mutuelles importantes entre les surfaces hautes et basses de deux cassettes parallélépipédiques successives posent problème tout comme c'est le cas avec les tubes radiants classiques.
  • L'invention a pour but de pallier au moins ce problème subsistant de l'état de la technique en procurant un dispositif de chauffage à la fois performant, c'est-à-dire présentant un facteur de vue optimisé entre boîtiers radiants et éléments à traiter (ici, l'optimisation cherche une augmentation de ce facteur de vue) qu'entre des boîtiers radiants successifs (ici, l'optimisation cherche une diminution de ce facteur de vue), et qui permet de minimiser significativement les radiations mutuelles essentiellement observées au niveau des parois de deux éléments (tubes ou boîtiers) radiants successifs se trouvant par exemple l'un au-dessus de l'autre dans un four de traitement thermique. Par ailleurs, l'invention a également pour objectif de procurer un dispositif de chauffage permettant d'améliorer l'homogénéité des températures des parois rayonnantes, ceci afin d'assurer un chauffage homogène des éléments à traiter.
  • Pour résoudre ce problème, il est prévu suivant l'invention, un dispositif de chauffage tel qu'indiqué au début caractérisé en ce que ledit boîtier radiant présente des parois frontales se joignant de façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme lenticulaire présentant une corde C.
  • Pour un cercle, la notion de corde est définie comme étant un segment qui joint deux points du cercle, la corde qui passe par le centre du cercle étant le diamètre. Par analogie, pour la forme lenticulaire au sens de l'invention, il est entendu que la corde C est le segment qui coupe longitudinalement la forme lenticulaire en deux parties comme illustré à titre exemplatif en coupe transversale à la figure 3.
  • Par les termes « le boîtier présente, en section transversale, une forme lenticulaire », on entend, au sens de la présente invention, que le boîtier radiant comprend des parois frontales qui se rejoignent à au moins une extrémité de la corde C de la forme lenticulaire en formant une arête ou un léger-plat et non pas ni une surface plane comme ce serait le cas si le boîtier présentait une forme parallélépipédique, ni une surface courbe continue comme ce serait le cas si le boîtier présentait une forme elliptique.
  • Au sens de la présente invention, l'arête formée à l'endroit où se rejoignent les parois frontales du boîtier radiant (c'est-à-dire à au moins une extrémité de la corde C de la forme lenticulaire) peut présenter la taille d'un cordon de soudure, lequel peut, dans certains cas, être relativement large.
  • Au sens de la présente invention, les parois frontales peuvent présenter, en section transversale, au moins une partie courbe qui peut être précédée ou succédée par une ou plusieurs autres parties (facettes) rectilignes ou courbes, la succession de toutes ces parties formant une paroi frontale sensiblement et globalement lenticulaire. II est prévu selon l'invention que les parois frontales puissent être formées uniquement d'éléments (parties) courbes ou uniquement d'éléments (parties ou facettes) rectilignes.
  • Au sens de la présente invention, selon une coupe transversale (section transversale), la forme lenticulaire, au contraire par exemple d'une forme elliptique, est une forme discontinue, c'est-à-dire une forme présentant au moins une « cassure angulaire » formant par exemple une extrémité angulaire, par exemple sous forme d'une intersection ou d'une pointe. II ne s'agit donc certainement pas, au contraire d'une forme elliptique telle que divulguée dans le document FR1315564 , d'une forme continue constituée par une infinité d'arcs de cercle et qui peut être obtenue comme une enveloppe de la famille des cercles dont les diamètres sont les cordes à supports parallèles d'un cercle donné. De même, il ne s'agit certainement pas d'une courbe plane générée par un point se déplaçant de telle sorte que sa distance par rapport à un point fixe divisée par sa distance par rapport à une ligne fixe est une valeur constante positive inférieure à 1.
  • Par les termes « une source de chaleur », on entend, au sens de la présente invention, tout élément ou tout dispositif permettant un apport de chaleur au sein du boîtier radiant. A titre d'exemple, la source de chaleur peut se présenter sous la forme d'au moins un brûleur muni d'au moins un injecteur d'un produit combustible, d'au moins une entrée d'un comburant et d'au moins une sortie de gaz de combustion. La source de chaleur selon l'invention pourrait également se présenter sous la forme d'une résistance électrique ou sous toute autre forme.
  • Dans le cadre de la présente invention, il a été déterminé, qu'un tel boîtier radiant présentant, en section transversale, une forme lenticulaire permet de minimiser significativement les radiations mutuelles entre deux boîtiers successifs et d'optimiser le facteur de vue non seulement entre un ou plusieurs éléments radiants (boîtiers) et un ou plusieurs éléments à traiter (augmentation de la valeur du facteur de vue) mais aussi entre des éléments radiants (boîtiers) successifs (diminution de la valeur du facteur de vue).
  • Selon l'invention, la fraction de la radiation émise par chacun des boîtiers et étant interceptée par les produits à traiter est optimisée et améliorée par rapport aux dispositifs de l'état de la technique (valeur de facteur de vue augmentée) avec, en parallèle, une réduction de la valeur de facteur de vue entre deux boîtiers successifs. Ceci est particulièrement inattendu puisqu'il est évident que la forme idéale d'un élément radiant serait une fine surface plane parallèle au produit à traiter. En effet, une telle surface plane et continue d'un élément radiant permettrait d'assurer un transfert optimal de chaleur par rayonnement vers une autre surface qui lui serait parallèle ou du moins qui serait située en face. Or, le dispositif de chauffage selon l'invention se présente sous la forme d'un boîtier radiant dont les parois frontales se joignent de telle façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme lenticulaire. En effet, le boîtier suivant l'invention présente des parois frontales sensiblement convexes qui se joignent à au moins une extrémité de la corde C de la forme lenticulaire en formant une arête : les parois frontales ne se joignent pas en formant pas une surface plane (comme ce serait le cas pour un boîtier radiant parallélépipédique) et ne se joignent pas en formant une courbure (comme ce serait le cas pour un boîtier radiant elliptique) mais bien une arête ou un léger plat.
  • En outre, il a été montré, dans le cadre de la présente invention, que le dispositif de chauffage suivant l'invention présente des performances accrues assurant une homogénéité de la température des parois rayonnantes du boîtier radiant, ceci en réduisant les puissances par mètre cube de volume par rapport aux tubes radiants classiques décrits plus haut mais aussi par rapport à la cassette radiante décrite dans le document EP 1203921 .
  • De préférence, selon l'invention, le boîtier radiant présente une forme lenticulaire biconvexe. Dans le cadre de la présente invention, il a été déterminé qu'une telle forme lenticulaire biconvexe s'approche mieux des caractéristiques radiatives d'un élément radiant optimal qui serait une fine surface plane continue radiante.
  • En ce sens, avantageusement, les parois frontales du dispositif de chauffage selon l'invention se joignent à au moins une extrémité de la corde C de la forme lenticulaire en y formant par exemple une arête ou un léger plat. Comme indiqué ci-dessus, une telle jonction des parois frontales a été déterminée, dans le cadre de la présente invention, comme s'approchant au mieux des caractéristiques radiatives d'un élément radiant optimal qui serait une fine surface plane continue radiante. Il a en effet été déterminé qu'une telle jonction, conférant une forme lenticulaire biconvexe au dispositif de chauffage sous forme d'un boîtier radiant, est adéquate tant pour minimiser les radiations mutuelles entre boîtiers successifs que pour assurer un chauffage optimal des produits à traiter. Ce chauffage optimal des produits à traiter et cette minimisation des radiations mutuelles entre boîtiers successifs sont obtenus par optimisation des valeurs de facteurs de vue non seulement entre un élément radiant (boîtier) et un élément à traiter mais aussi entre des éléments radiants (boîtiers) successifs.
  • Préférentiellement, ladite forme lenticulaire selon une section transversale du boîtier selon l'invention présente un rayon principal de courbure R tel que le rapport entre ce rayon principal de courbure R et un pas P défini entre les deux centres de deux boîtiers successifs est supérieur à 0,5. Suivant l'invention, il a été déterminé qu'un tel rapport supérieur à 0,5 entre ce rayon principal de courbure R et le pas P défini entre deux boîtiers successifs est adéquat afin d'assurer un chauffage optimal par radiation, c'est-à-dire afin d'obtenir un facteur de vue adéquat tant entre un élément radiant (boîtier) et un élément à traiter mais aussi entre des éléments radiants (boîtiers) successifs, ceci se traduisant par une minimisation significative des radiations mutuelles entre deux boîtiers successifs.
  • Optionnellement, le dispositif de chauffage selon l'invention comprend au moins un élément interne de canalisation de flux de gaz et/ou de rigidification.
  • Selon un mode de réalisation suivant l'invention, ledit au moins un élément interne se présente sous la forme d'une plaque et/ou d'une structure, toute autre forme et/ou structure de ces éléments internes pouvant convenir étant couverte par la présente invention. Dans le cas d'un apport de chaleur par combustion, la présence d'au moins un élément interne, qu'il soit sous la forme d'une plaque ou autre, permet de canaliser le flux de gaz issu de la combustion si il est agencé pour constituer une séparation partielle ou totale entre la flamme et la/les partie(s) adjacente(s) à la zone de flamme du boîtier. Un tel élément permet également le développement de la combustion dans un/des canal/canaux adjacent(s) et/ou assure un rôle de rigidification et de maintien du système en contenant les parois du boîtier radiant. Cet élément peut aussi permettre de maîtriser la déformation du dispositif de chauffage. Selon l'invention, la structure peut être une structure aussi simple qu'une tige.
  • Avantageusement, les parois frontales du dispositif de chauffage selon l'invention peuvent être profilées avec des ondulations de toute forme ou avec des créneaux de toute forme, ceci afin d'augmenter la surface d'échange du dispositif de chauffage suivant l'invention.
  • De préférence, dans le cas d'une source de chaleur par combustion, le dispositif de chauffage selon l'invention comprend un récupérateur de chaleur interne et/ou externe.
  • Préférentiellement, le récupérateur de chaleur interne ou externe du dispositif de chauffage selon l'invention est un échangeur régénératif de chaleur. Il est avantageux de prévoir un tel échangeur régénératif de chaleur qui permet un meilleur réchauffement du produit combustible et/ou du comburant de sorte à optimiser le rendement de la combustion réalisée dans le boîtier.
  • D'autres formes de réalisation du dispositif de chauffage suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
  • L'invention a aussi pour objet un four pour le traitement thermique de produits, en particulier pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique, ledit four comprenant au moins un dispositif de chauffage selon l'invention.
  • D'autres formes de réalisation du four suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
  • L'invention a aussi pour objet une utilisation d'un dispositif de chauffage selon l'invention pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique.
  • D'autres formes d'utilisation d'un dispositif de chauffage suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
  • D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif et en faisant référence aux dessins annexés.
    • La figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un dispositif de chauffage selon l'invention.
    • La figure 2 est une représentation schématique selon une vue frontale d'un dispositif de chauffage selon l'invention.
    • La figure 3 est une représentation schématique selon une coupe transversale suivant l'axe III-III (tel qu'illustré à la figure 2) d'un dispositif de chauffage selon l'invention.
    • La figure 4 est une représentation schématique d'un four particulier comprenant des dispositifs de chauffage selon l'invention.
    • La figure 5 est une représentation schématique de deux dispositifs de chauffage selon l'invention qui sont placés les uns au-dessus des autres, comme c'est par exemple le cas dans un four suivant l'invention (tel que celui représenté à la figure 4).
    • La figure 6 est une représentation schématique d'un autre dispositif de chauffage selon l'invention.
  • Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.
  • La figure 1 illustre, selon une vue en perspective, le dispositif de chauffage 1 suivant l'invention. Comme illustré, le dispositif de chauffage 1 se présente sous la forme d'un boîtier de forme lenticulaire (biconvexe) dans sa section transversale. Ce boîtier est composé de deux parois frontales 2, sensiblement convexes se joignant en leur partie haute et en leur partie basse, c'est-à-dire à chacune des extrémités de la corde C de la forme lenticulaire, en y formant une arête 3, 3'. Un emplacement 4, pour une source de chaleur, passe au travers d'une paroi latérale 5 du dispositif de chauffage 1 et une deuxième paroi latérale (non visible) ferme quant à elle l'extrémité du boîtier opposée à la paroi latérale 5 accueillant l'emplacement 4 pour une source de chaleur. Cette deuxième paroi latérale est reliée à un moyen d'accrochage et/ou de fixation 6 du boîtier lorsqu'il est placé dans un four.
  • La figure 2 est une vue latérale reprenant les mêmes éléments que ceux illustrés à la figure 1 où sont visibles des éléments internes 7 de canalisation de flux de gaz et/ou de renfort sous forme de plaques.
  • La figure 3 est vue en coupe selon l'axe III-III (tel qu'illustré à la figure 2) du dispositif de chauffage 1 se présentant sous la forme d'un boîtier de forme lenticulaire dans sa section transversale, cette forme lenticulaire présentant une flèche F et une corde C. Ce boîtier est composé de deux parois frontales 2, 2' sensiblement convexes se joignant en leur partie haute et en leur partie basse, c'est-à-dire à chacune des extrémités de la corde C de la forme lenticulaire, en y formant une arête 3, 3'. Le dispositif de chauffage 1 accueille un emplacement 4 pour une source de chaleur, ledit emplacement 4 présentant une section circulaire dans le mode de réalisation illustré.
  • En fonctionnement, lorsqu'un brûleur présent à l'emplacement 4 est alimenté en produit combustible et en comburant, une flamme se développe dans le dispositif de chauffage 1, c'est-à-dire dans le boîtier, de façon centrale selon le mode de réalisation illustré. Lorsque des éléments internes 7 de canalisation de flux de gaz et/ou de renfort sont présents, ils constituent par ailleurs un écran entre cette flamme centrale et les parties adjacentes au centre du boîtier et permettent de canaliser le flux de gaz lié à la combustion.
  • La figure 4 est une représentation schématique d'un four particulier 8 comprenant une pluralité de dispositifs de chauffage 1, 1' suivant l'invention. Selon le mode de réalisation illustré, une bande métallique 9 défile dans le four en étant entraînée par des rouleaux de renvoi et de transport 10. La bande 9 est ainsi chauffée sur ses deux faces par chacun des dispositifs de chauffage 1, 1' en passant devant les faces frontales 2, 2' de ces derniers. De par la forme lenticulaire biconvexe du dispositif de chauffage 1, 1' selon l'invention, la bande métallique 9 est soumise à un chauffage homogène tout le long de son parcours dans le four 8, les radiations mutuelles entre boîtiers successifs 1, 1' étant significativement minimisées. Cette forme lenticulaire biconvexe des dispositifs de chauffage suivant l'invention permet, comme indiqué plus haut, d'optimiser les valeurs de facteurs de vue tant entre éléments radiants (boîtiers) et un élément à traiter mais aussi entre des éléments radiants (boîtiers) successifs.
  • La figure 5 est une représentation schématique de deux dispositifs de chauffage 1, 1' qui sont placés les uns au-dessus des autres, comme c'est par exemple le cas dans un four 8 suivant l'invention. Comme on peut le constater, lorsque deux boîtiers 1, 1' successifs suivant l'invention sont placés les uns au-dessus des autres, seules des arêtes 3, 3' se font face, ce qui minimise significativement les radiations mutuelles entre ces mêmes boîtiers 1, 1' et ce qui optimise les facteurs de vue de chacun des dispositifs de chauffage 1, 1' selon l'invention.
  • En outre, suivant l'invention, il a été déterminé que, de façon préférée, le boîtier 1, 1' présente, en section transversale, une forme de lentille (forme lenticulaire) dont le rayon principal de courbure R est tel que le rapport entre ce rayon principal de courbure R et le pas P défini entre deux boîtiers 1,1' successifs est supérieur à 0,5.
  • La figure 6 est une représentation schématique d'un autre dispositif de chauffage suivant l'invention présentant une forme lenticulaire au sens de l'invention dès lors que le boîtier 1 présente des parois frontales composée chacune de trois facettes f1', f1", f1"' / f2', f2", f2"', ces parois se joignant de façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme lenticulaire selon l'invention présentant une corde C. Plus particulièrement, les parois frontales se joignent à chacune des extrémités de la corde C du boîtier 1 tel que représenté à la figure 6 en y formant une arête (3, 3'). Ceci permet de minimiser significativement les radiations mutuelles entre boîtiers et d'optimiser les facteurs de vue des dispositifs de chauffage selon l'invention. Bien entendu, le dispositif de chauffage présenté à la figure 6 n'est qu'illustratif et un autre dispositif de chauffage selon l'invention pourrait présenter un nombre élevé de facettes formant globalement une paroi frontale de forme lenticulaire en section transversale suivant l'invention.
    • Exemples Exemple 1 : comparaison de la puissance par mètre cube de volume de l'espace de combustion pour différents types d'éléments radiants
  • Des comparatifs ont été réalisés afin de déterminer la puissance par mètre cube de volume et par mètre carré de section de passage de flamme du dispositif de chauffage suivant l'invention par rapport aux tubes radiants classiques décrits plus haut mais aussi par rapport à la cassette radiante décrite dans le document EP 1203921 . Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-dessous.
    Forme de l'élément radiant Puissance du brûleur1 Espace de combustion Puissance surfacique Puissance volumique
    diamètre / Dimension Section Volume
    [kW] [mm] [m2] [m3] [kW/m2] [kW/m3]
    4 brins (W) 174 203 0,0324 0,243 5370 716
    3 brins (double P) 140 247 0,0479 0,203 2923 690
    Cassette EP1203921 130 104 x 740 0,0770 0,139 1 690 935
    Lenticulaire 174 3502 0,0962 0,598 1 808 290
    1puissance connectée
    2diamètre équivalent au centre du boîtier lenticulaire
  • Comme on peut le constater, avec le boîtier de forme lenticulaire biconvexe dans sa section transversale selon l'invention, la puissance par mètre cube de volume de l'espace de combustion est significativement réduite par rapport à celles observées avec les tubes radiants et la cassette radiante de l'état de la technique. Ceci se traduit par une nette amélioration de l'homogénéité de température de la flamme et donc des parois rayonnantes. Un chauffage par radiation significativement plus homogène est ainsi obtenu avec un dispositif de chauffage suivant la présente invention.
    • Exemple 2 : comparaisons des valeurs de facteur de vue pour des boîtiers radiants de forme lenticulaire et de forme elliptique
  • Des comparatifs ont été réalisés afin de déterminer les valeurs de facteurs de vue pour des boîtiers radiants de forme lenticulaire ou de forme elliptique présentant soit le même périmètre, soit la même surface. Afin de réaliser ces comparatifs, dans chacun des cas, la distance (le pas) entre deux boîtiers de forme lenticulaire ou entre deux boîtiers de forme elliptique successifs a été fixée à 1444 mm (voir dans le tableau ci-dessous).
  • Comme mentionné ci-dessus, pour pouvoir comparer les valeurs de facteurs de vue calculées, ont été considérés :
    • un boîtier radiant de forme elliptique dont le périmètre, en coupe transversale, est identique à celui d'un boîtier de forme lenticulaire donné, et
    • un boîtier radiant de forme elliptique dont la surface, en coupe transversale, est identique à celui d'un boîtier de forme lenticulaire donné.
  • Les valeurs de facteur de vue ont été calculées selon la méthode des cordes croisées bien connue de l'homme de métier.
  • Le tableau ci-dessous reprend les résultats obtenus par calcul :
    Boîtier radiant de forme lenticulaire Boîtier radiant de forme elliptique : périmètre, en coupe transversale, identique à celui du boîtier radiant de forme lenticulaire Boîtier radiant de forme elliptique : surface, en coupe transversale, identique à celle du boîtier radiant de forme lenticulaire
    Flèche : 177 mm Demi petit axe : 177 mm Demi petit axe : 177 mm
    Corde : 1303 mm Demi grand axe : 636,7 mm Demi grand axe : 561 mm
    Verticale (pas) : 1440 mm Verticale (pas) : 1440 mm Verticale (pas) : 1440 mm
    Surface: 312001 mm2 Surface : 354023 mm2 Surface : 312001 mm2
    Demi-périmètre :1366,2 mm Demi-périmètre :1366,2 mm Demi-périmètre :1239,3 mm
    Facteur de vue boîtier à boîtier : 0,0384 Facteur de vue boîtier à boîtier : 0,0478 Facteur de vue boîtier à boîtier : 0,0419
  • Comme on peut le constater de ces comparatifs, pour une même distance entre boîtiers radiants successifs (1440 mm) présentant un même périmètre (2732,4 mm) ou une même surface (312001 mm2), une valeur moindre de facteur de vue entre boîtiers radiants successifs (0,0384) est observée pour des boîtiers radiants de forme lenticulaire selon l'invention en comparaison avec des boîtiers radiants de forme elliptique (facteur de vue de 0,0478 pour un même périmètre que celui du boîtier de forme lenticulaire et facteur de vue de 0,0419 pour une même surface que celle du boîtier de forme lenticulaire).
    Un facteur de vue (de forme) optimisé est donc obtenu avec un dispositif de chauffage selon l'invention, ce qui permet de réduire de façon significative les radiations mutuelles entre boîtiers successifs. Par conséquent, avec un boîtier radiant de forme lenticulaire selon l'invention, le facteur de vue entre éléments radiants (boîtiers radiants) successifs est optimisé dès lors qu'il convient bien de minimiser ce facteur de vue, c'est-à-dire de minimiser le flux total de chaleur émis depuis une surface (S1) d'un premier boîtier radiant et arrivant sur une surface (S2) d'un deuxième boîtier radiant.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims (9)

  1. Dispositif de chauffage (1) indirect par rayonnement sous la forme d'un boîtier radiant présentant deux parois frontales (2, 2') et deux parois latérales (5) et comprenant au moins une source de chaleur, ledit dispositif (1) étant caractérisé en ce que ledit boîtier radiant présente des parois frontales (2, 2') se joignant de façon que le boîtier présente, en section transversale, une forme lenticulaire présentant une corde C, lesdites parois frontales (2, 2') se joignant à au moins une extrémité de ladite corde C de ladite forme lenticulaire en y formant une arête ou un léger plat (3, 3').
  2. Dispositif de chauffage (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite forme lenticulaire présente un rayon principal de courbure R tel que le rapport entre ce rayon principal de courbure R et un pas P défini entre les deux centres de deux boîtiers successifs (1, 1') est supérieur à 0,5.
  3. Dispositif de chauffage (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément interne (7) de canalisation de flux de gaz et/ou de rigidification.
  4. Dispositif de chauffage (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un élément interne (7) se présente sous la forme d'une plaque et/ou d'une structure.
  5. Dispositif de chauffage (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parois frontales (2, 2') dudit boîtier sont profilées avec des ondulations de toute forme ou avec des créneaux de toute forme.
  6. Dispositif de chauffage (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, dans le cas d'une source de chaleur par combustion, un récupérateur de chaleur interne et/ou externe.
  7. Dispositif de chauffage (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit récupérateur de chaleur interne et/ou externe est un échangeur régénératif de chaleur.
  8. Four (8) pour le traitement thermique de produits, en particulier pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique, ledit four (8) comprenant au moins un dispositif de chauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. Utilisation, dans un four (8), d'un dispositif de chauffage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour le traitement thermique de barres, de tubes, de bandes ou encore de pièces généralement métalliques ou en tout autre matériau comme notamment de la céramique.
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