WO2010029493A2 - Recuperateur pour bruleur a tube radiant - Google Patents

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WO2010029493A2
WO2010029493A2 PCT/IB2009/053904 IB2009053904W WO2010029493A2 WO 2010029493 A2 WO2010029493 A2 WO 2010029493A2 IB 2009053904 W IB2009053904 W IB 2009053904W WO 2010029493 A2 WO2010029493 A2 WO 2010029493A2
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combustion
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combustion products
tube
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Stéphane MAGNE
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Fives Stein
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/15043—Preheating combustion air by heat recovery means located in the chimney, e.g. for home heating devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a recuperator for radiant tube burner, the latter comprising a burner pipe and an exhaust pipe, the burner being placed at the inlet of the burner pipe, the recuperator being disposed at the outlet of the pipe of the burner pipe. 'exhaust.
  • Reclaimed radiant tube burners use flue gas recirculation in combustion air to reduce NOx emissions.
  • FR 2 780 770 proposes a recuperator for radiant tube burners of the type which comprises: a tubular envelope placed inside the exhaust pipe in a substantially coaxial manner to determine a first annular space for the escape of a part of the combustion products flowing around the tubular casing, - a mixing tube arranged substantially coaxially inside the tubular casing to define a second annular space, between the mixing tube and the tubular casing, in which the combustion air circulates countercurrently from the combustion products flowing in the first annular space, and is preheated, - the air preheated combustion nozzle being directed towards a nozzle placed at the end of the recuperator on the arrival side of the combustion products, which nozzle defines at least one path for reversing the direction of combustion. flowing the combustion air and directing it to an inlet in the mixing tube in the substantially axial direction, and comprises at least one duct for allowing a portion of the combustion products to pass into the interior of the combustion tube. mixed.
  • the guiding members are placed at the entrance of the duct to facilitate the flow of the products of combustion. directing them towards the inside of the mixing tube.
  • FR 2 780 770 The solution proposed by FR 2 780 770 is not fully satisfactory because it does not allow to cause, in the combustion air, a flow rate of combustion products as high as desired for effective reduction of NOx emissions.
  • the object of the invention is, above all, to provide a recuperator for a radiant tube burner which allows a better recirculation of fumes in combustion and a significant reduction of NOx emissions.
  • a recuperator for a radiant tube burner comprising a burner pipe and an exhaust pipe, the burner being placed at the inlet of the burner pipe, the recuperator being disposed at the outlet of the pipe of the burner pipe.
  • exhaust and being of the kind defined above, is characterized in that the or each conduit of the nozzle, for the passage of the combustion products, opens directly on the face of the recuperator facing upstream of the pipe exhaust, and is oriented to ensure a flow of combustion products mainly parallel to the axis of the recuperator.
  • the air inlet in the mixing tube comprises a tubular extension of decreasing cross section, projecting into the mixing tube on the opposite side to the endpiece. Increasing the rate of combustion air created by this tubular injector extension causes some of the combustion products to be sucked into the mixing tube.
  • the recuperator comprises several ducts for the combustion products, angularly distributed around the air inlet, arranged in the center.
  • the ducts for the combustion products may have an angle of inclination with the longitudinal axis of the mixing tube between 0 and 45 ° inclusive.
  • Each duct for the passage of combustion products to the mixing tube defines a direct path that leads to low pressure losses. This duct is located, for the most part, radially inside the contour of the mixing tube.
  • the tubular casing may be formed by a juxtaposition of crowns with cross section provided with ribs on sides orthogonal to the axis of the crowns; the ribs are able to bear against each other, and the crown assembly defines radial fins in sail on both the outer surface and the surface. inside the envelope.
  • the tip is formed by a kind of hollow drum limited by two plane walls substantially orthogonal to the axis of the recuperator, the wall of the drum facing downstream having orifices in communication with the second space annulus for the combustion air, the same wall having a central opening opening to the mixing tube for the combustion air inlet in the mixing tube, the other upstream wall of the drum having the openings for the combustion product ducts, these ducts passing through the drum parallel to the axis of the recuperator and opening into the mixing tube, radially inside this tube.
  • Three ducts may be provided, with an arcuate cross-section.
  • the endpiece comprises a cylindrical portion applied against the end of the tubular casing, this part being extended upstream by a curved wall radially inwardly to form a funnel which connects to the tubular tube.
  • the funnel comprises in its central part the tubular extension forming an injector for the combustion air, this extension being supported by radially oriented sleeves putting in communication the second annular space and the inside of the tubular extension; this extension is closed, on the upstream side, by a warhead. Part of the combustion products flow inside the funnel, around the tubular extension, to the mixing tube.
  • Fig. 1 is a simplified diagram, with parts torn off, of a radiant tube burner equipped with a recuperator according to the invention.
  • Fig. 2 is an axial section on a larger scale of the upstream end of a recuperator according to the invention.
  • Fig. 3 is a partial sectional view in perspective of the tip of FIG. 2, view of the upstream side.
  • Fig. 4 is a perspective view, with cut parts, of a second embodiment of a recuperator according to the invention.
  • Fig. 5 is a perspective view, in axial section through a vertical plane, of the recuperator of FIG. 4.
  • Fig. 6 is an axial sectional view, on a larger scale, of the upstream end of the recuperator of FIG. 5, and
  • Fig. 7 is a perspective view, from the upstream, of the mouthpiece of
  • Fig. 6 in half vertical axial section, without its upstream warhead.
  • a burner B with a radiant tube T comprises a burner pipe Tb at the inlet of which is installed the burner B.
  • the tube T passes through a wall P of an oven, extends into Ia oven chamber, and out through the wall through an exhaust pipe 1.
  • the burner B is fueled by a pipe Bc.
  • the flame of the burner B develops in the radiant tube T and the combustion gases flow through this tube to ensure the heating of the furnace.
  • the gases are directed, in the tube T, towards the exhaust pipe 1.
  • a heat recovery unit R is disposed at the outlet of the exhaust pipe 1.
  • the recuperator R comprises a tubular casing 3 placed inside the exhaust pipe 1 in a substantially coaxial manner to determine a first annular space 2 for the exhausting a portion of the combustion products flowing around the tubular casing 3, in the direction of arrow F.
  • the envelope 3 may consist of a juxtaposition of elementary rings 3a, coaxial with the pipe 1, and having a cross-section with two flat faces orthogonal to the geometric axis of the pipe 1, the connection between the crowns being made by a sealed weld between the circular ribs 3b, 3c.
  • the portion of the section 3a projecting radially from the ribs 3b, 3c forms a kind of fin 3d promoting heat exchange with the products of combustion flowing in the direction of the arrow F in this space 2.
  • upstream and downstream used in the description and the claims are to be understood according to the direction of flow illustrated by the arrow F.
  • the space 2 is connected in downstream part, located on the left according to FIG. 2, to an outlet S (Fig.1) for evacuation of combustion products, for example to a chimney.
  • a mixing tube 5 is arranged substantially coaxially inside the tubular casing 3 to define a second annular space 4 between the outer surface of the tube 5 and the inner surface of the casing 3.
  • the air combustion flows in space 4 in the direction of arrows A, countercurrent flowing products of combustion in the first annular space 2, the air is thus preheated through the wall of the casing 3.
  • the parts 3e projecting towards the inside of the casing 3, with respect to the ribs 3b, 3c constitute the equivalent of fins for promoting the transfer of heat between the envelope 3 and the combustion air passing through the space 4.
  • the annular space or passage 4 is connected to its downstream end, located on the left according to FIG. 2, to a combustion air inlet E (Fig. 1).
  • the preheated combustion air, flowing in the space 4, is directed towards a nozzle 6 placed at the end of the recuperator R located on the side of the arrival of the products of combustion, that is to say the end located on the right according to FIG. 2.
  • the tip 6 is formed by a hollow drum with two end plane walls 6a, 6b orthogonal to the axis of the drum and a cylindrical peripheral wall 6c in one piece with the wall 6a.
  • the upstream wall 6b is sealingly applied against the edge of the peripheral wall 6c.
  • the downstream wall 6a has a central opening 6d, coaxial with the tube 5, provided with a tubular extension 8, of decreasing cross section, projecting into the mixing tube 5 on the opposite side to the endpiece 6.
  • the extension 8, of frustoconical preference constitutes an injector causing the increase in the speed of the combustion air passing through it.
  • the wall 6a is applied in a sufficiently tight manner against the ends of the tubular casing 3 and the mixing tube 5.
  • the wall 6a comprises, in the annular zone between the inner contour of the casing 3 and the outer contour of the tube 5 at least one orifice 7, and preferably several orifices 7, angularly distributed along the circumference, putting in communication the annular space 4 and the inner volume of the nozzle 6.
  • the orifices 7 may have an arcuate shape, centered on the geometric axis of the nozzle.
  • the combustion air which arrives in the direction of the arrows A, passes through the orifices 7, changes direction of flow along the arrows A1, substantially 90 °, to move radially inwardly of the nozzle 6 and after a new change of direction substantially at 90 °, flows into the mixing tube 5 along arrow A2.
  • the nozzle 6 thus defines a path that reverses the direction of flow of the combustion air and directs it towards the mixing tube 5.
  • the angle of each of the two changes of direction may vary according to the embodiments with for example, a first angle at 80 ° and a second at 100 ⁇ , the sum of the two angles being substantially equal to 180 °.
  • the tip 6 comprises at least one duct 9, and preferably several ducts, for example four ducts 9 distributed at 90 ° along the circumference, which open directly on the face 6b of the nozzle facing upstream of the exhaust pipe 1.
  • the ducts 9 also open on the downstream face 6a in the mixing tube 5.
  • the ducts 9 are oriented so as to ensure a flow of combustion products mainly parallel to the axis of the recuperator R, as illustrated by the arrows H.
  • the ducts 9 are cylindrical with generatrices parallel to the geometric axis of the endpiece 6.
  • the cross section of the orifices 9 may correspond to an arcuate outline of midline centered on the geometric axis of the endpiece 6.
  • the ducts 9 open into the mixing tube 5 in an area radially between, on the one hand, the inner contour of the tube 5 and, on the other hand, the outer contour of the injector 8 and the central opening 6d. .
  • the combustion air leaving the injector 8 at a relatively high speed creates a suction effect of the combustion products and promotes mixing with these products.
  • the tip 6, placed at the upstream end of the recuperator R allows:
  • the opening of the ducts 9 located directly in the upstream face of the nozzle 6 allows a flow of the combustion products 10 mainly parallel to the axis of the recuperator.
  • This configuration has the advantage of making it possible to suck up a large proportion of the combustion products 10 which continue their path in the axis of the mixing tube 5 by passing through the nozzle 6.
  • the path followed by the combustion products 10 leads to reduced pressure losses allowing a higher level of the recirculation rate of products of combustion.
  • the recuperator R has a body 11 cylindrical coaxial exhaust pipe 1 connected to this body.
  • the combustion air inlet E has a horizontal geometric axis orthogonal to the axis of the body 11.
  • the outlet S of the balance of the combustion products has a vertical geometric axis and is oriented downwards while the outlet M of the mixture consisting of the combustion air and a portion of the combustion products is diametrically opposed to the output S.
  • the inlet E and the outputs S and M are provided with a collar forming a flange for connection to a pipe.
  • the body 11 has internal partitions separating different zones which communicate with the inlet E and the outlets S and M.
  • the inlet E not visible in FIG. 5, communicates with an inner chamber defined by a cylindrical partition 12 having a transverse background! 12a passed sufficiently sealed by the mixing tube s which extends downstream beyond the bottom 12a.
  • the annular space between the outer surface of the tube 5 and the inner surface of the cap 13 communicates with the outlet port M of the mixture of combustion air and products of combustion. The flow direction of this mixture is inverted by 180 ° at the outlet of the tube 5 to go to the outlet M.
  • the tip 6 (FIG. 6) has a cylindrical portion 14 of the same diameter as the ribs 3c of the envelope 3. This portion 14 is applied in a sufficiently tight manner against the rib 3c of the upstream end of the envelope 3
  • the upstream end of the cylindrical portion 14 is provided with a kind of funnel 15 whose upstream peripheral edge 15a is bent at 180 °.
  • the wall of the funnel 15 forms a substantially frustoconical skirt from the curved edge 15a and provides a connection between the upstream edge of the partial 4 and the mixing tube 5 of smaller diameter.
  • the tubular extension 8 forming an injector, projecting into the tube 5, is coaxial with the funnel 15 which is secured to it by radially oriented sleeves 16 and opening outwards in the space 4 and inwardly in the tube 8 by openings 17 of elongated shape and whose width decreases from upstream to downstream.
  • the tubular extension 8 is closed on the upstream side by a nose 18 which directs the combustion products 10 to the ducts 9 between the inner surface of the funnel 15 and the outer surface of the tubular element 8.
  • recuperator of FIGS. 4 to 7 is similar to that described for Fig.2 and 3.
  • the combustion air circulates countercurrently in the annular space 4, enters the cylindrical part 14 and then flows through the openings 17 into the tubular element 8 and is injected into the tube 5.
  • the combustion products 10 pass partly in the annular space 2 to the outlet S and, for another part, directly in the ducts 9, with a minimum of losses to mix in the tube 5 with the air of combustion.
  • the tip 6 comprises three sleeves 16 arranged at 120 °.
  • the flow of the combustion products in the ducts 9 can be inclined at an angle to the central axis of the recuperator, that is to say that the upstream inlet of the ducts 9 is then further away from the duct.
  • central axis! (Geometric axis of the tube 5) that the downstream output of the ducts 9. This angle of inclination is advantageously between 0 and 45 °.
  • the narrowing of the section at the end of the injector 8 causes an increase in the speed of the air which causes the appearance of a pressure difference between the inside of the mixing tube 5 and the exhaust pipe 1 with suction of the combustion products 10 directly to the mixing tube 5 via the conduit (s) 9.
  • the combustion air circulates in the annular section 4 in the opposite direction to the combustion products flowing in section 2 and thereby improves the heat exchange between the two fluids and the temperature profile of the recuperator, decreasing the temperature differences between one end and the opposite end.

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Abstract

Récupérateur pour brûleur à tube radiant, comprenant : une enveloppe tubulaire (3) placée à l'intérieur de la conduite d'échappement (1) pour déterminer un premier espace annulaire (2) pour l'échappement d'une partie des produits de combustion; un tube de mélange (5) disposé à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire (3) pour définir un second espace annulaire (4), dans lequel l'air de combustion circule à contre-courant des produits de combustion dans le premier espace annulaire (2), et est préchauffé, l'air de combustion préchauffé étant dirigé vers un embout (6) qui définit au moins un trajet pour inverser le sens d'écoulement de l'air de combustion et le diriger vers une entrée dans le tube de mélange (5) et qui comporte au moins un conduit (9) pour permettre le passage d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange; le ou chaque conduit (9) de l'embout, pour le passage des produits de combustion, s'ouvre directement sur la face (6b) du récupérateur (6) tournée vers l'amont de la conduite d'échappement, et est orienté de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur.

Description

RECUPERATEUR POUR BRULEUR À TUBE RADIANT.
L'invention est relative à un récupérateur pour brûleur à tube radiant, ce dernier comportant une conduite de brûleur et une conduite d'échappement, le brûleur étant placé en entrée de la conduite de brûleur, le récupérateur étant disposé en sortie de la conduite d'échappement.
Les brûleurs à tube radiant à récupération utilisent la recirculation de fumées dans l'air de combustion pour réduire les émissions de NOx.
La réduction au minimum de la formation des oxydes d'azote pendant la combustion est devenue une condition indispensable dans de nombreuses applications des organes de chauffage par combustion, des chaudières, des générateurs de vapeur à combustible liquide et analogues. Cette condition s'applique aussi aux fours de traitement thermique et à d'autres applications qui nécessitent des brûleurs à tube radiant comme sources de chaleur.
Diverses formes de combustion étagées et de plus faibles températures de flamme ont été utilisées avec des brûleurs classiques pour réduire les émissions de NOx.
Pour réduire (a production d'oxyde d'azote, FR 2 780 770 propose un récupérateur pour brûleurs à tube radiant du genre de ceux qui comprennent : - une enveloppe tubulaire placée à l'intérieur de la conduite d'échappement de manière sensiblement coaxiaie pour déterminer un premier espace annulaire pour l'échappement d'une partie des produits de combustion qui s'écoule autour de l'enveloppe tubuiaire, - un tube de mélange disposé de manière sensiblement coaxiaie à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire pour définir un second espace annulaire, compris entre le tube de mélange et l'enveloppe tubulaire, dans lequel l'air de combustion circule à contre-courant des produits de combustion s'écoulant dans le premier espace annulaire, et est préchauffé, - l'air de combustion préchauffé étant dirigé vers un embout placé à l'extrémité du récupérateur du côté de l'arrivée des produits de combustion, lequel embout définit au moins un trajet pour inverser le sens d'écoulement de l'air de combustion et le diriger vers une entrée dans le tube de mélange suivant la direction sensiblement axiale, et comporte au moins un conduit pour permettre le passage d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange.
Selon un exemple de réalisation, des organes directeurs sont placés à l'entrée du conduit pour faciliter l'écoulement des produits de combustion en les dirigeant vers l'intérieur du tube de mélange.
La solution proposée par FR 2 780 770 n'est pas pleinement satisfaisante car elle ne permet pas d'entraîner, dans l'air de combustion, un débit de produits de combustion aussi élevé que souhaité pour une réduction efficace des émissions de NOx.
L'invention a pour but, surtout, de fournir un récupérateur pour brûleur à tube radiant qui permet une meilleure recirculation des fumées dans Fair de combustion et une diminution sensible des émissions de NOx.
Selon l'invention, un récupérateur pour brûleur à tube radiant, ce dernier comportant une conduite de brûleur et une conduite d'échappement, le brûleur étant placé en entrée de la conduite de brûieur, le récupérateur étant disposé en sortie de la conduite d'échappement, et étant du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que le, ou chaque, conduit de l'embout, pour le passage des produits de combustion, s'ouvre directement sur la face du récupérateur tournée vers l'amont de la conduite d'échappement, et est orienté de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur.
Avantageusement, l'entrée d'air dans le tube de mélange comporte un prolongement tubulaire de section transversale décroissante, faisant saillie dans le tube de mélange du côté opposé à l'embout. L'augmentation de la vitesse de l'air de combustion créée par ce prolongement tubulaire formant injecteur entraîne une aspiration d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange.
De préférence, le récupérateur comporte plusieurs conduits pour les produits de combustion, répartis angulairement autour de l'entrée d'air, disposée au centre.
Les conduits pour les produits de combustion peuvent avoir un angle d'inclinaison avec l'axe longitudinal du tube de mélange compris entre 0 et 45°, limites incluses. Chaque conduit pour le passage des produits de combustion vers le tube de mélange définit un chemin direct qui entraîne peu de pertes de charge. Ce conduit est situé, pour l'essentiel, radialement à l'intérieur du contour du tube de mélange.
L'enveloppe tubulaire peut être formée par une juxtaposition de couronnes à section transversale munie de nervures sur des faces orthogonales à l'axe des couronnes ; les nervures sont propres à venir en appui les unes contre les autres, et l'assemblage des couronnes définit des ailettes radiales en sailiie aussi bien sur la surface extérieure que sur !a surface intérieure de l'enveloppe.
Selon un premier exemple de réalisation, l'embout est formé par une sorte de tambour creux limité par deux parois planes essentiellement orthogonales à l'axe du récupérateur, la paroi du tambour tournée vers l'aval comportant des orifices en communication avec le deuxième espace annulaire pour l'air de combustion, cette même paroi comportant un orifice central s'ouvrant vers le tube de mélange pour l'entrée de l'air de combustion dans ce tube de mélange, l'autre paroi amont du tambour comportant les ouvertures pour les conduits des produits de combustion, ces conduits traversant le tambour parallèlement à l'axe du récupérateur et débouchant dans le tube de mélange, radialement à l'intérieur de ce tube. Trois conduits peuvent être prévus, avec une section transversale arquée.
Selon un autre exemple de réalisation, l'embout comprend une partie cylindrique appliquée contre l'extrémité de l'enveloppe tubulaire, cette partie étant prolongée en amont par une paroi recourbée radialement vers l'intérieur pour former un entonnoir qui se raccorde au tube de mélange ; l'entonnoir comporte dans sa partie centrale le prolongement tubulaire formant injecteur pour l'air de combustion, ce prolongement étant supporté par des manchons orientés radialement mettant en communication le deuxième espace annulaire et l'intérieur du prolongement tubulaire ; ce prolongement est fermé, du côté amont, par une ogive. Une partie des produits de combustion s'écoule à l'intérieur de l'entonnoir, autour du prolongement tubulaire, vers le tube de mélange.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
Fig. 1 est un schéma simplifié, avec parties arrachées, d'un brûleur à tube radiant équipé d'un récupérateur selon l'invention.
Fig. 2 est une coupe axiale à plus grande échelle de l'extrémité amont d'un récupérateur selon l'invention.
Fig. 3 est une vue partielle en coupe en perspective de l'embout de Fig. 2, vue du côté amont. Fig. 4 est une vue en perspective, avec parties coupées, d'un second exemple de réalisation de récupérateur selon l'invention.
Fig. 5 est une vue en perspective, en coupe axiale par un plan vertical, du récupérateur de Fig. 4. Fig. 6 est une vue en coupe axiaie, à plus grande échelle, de l'extrémité amont du récupérateur de Fig. 5, et
Fig. 7 est une vue en perspective, depuis l'amont, de l'embout de
Fig. 6, en demi-coupe axiale verticale, sans son ogive amont. En se reportant aux dessins, notamment à Fig. 1 , on peut voir un brûleur B à tube radiant T. Le tube T comporte une conduite de brûleur Tb à l'entrée de laquelle est installé le brûleur B. Le tube T traverse une paroi P d'un four, s'étend dans Ia chambre du four, et ressort à travers la paroi par une conduite d'échappement 1. Le brûleur B est alimenté en combustible par une conduite Bc. La flamme du brûleur B se développe dans le tube radiant T et les gaz de combustion parcourent ce tube pour assurer le chauffage du four. Les gaz sont dirigés, dans le tube T, vers la conduite d'échappement 1.
Un récupérateur de chaleur R est disposé en sortie de la conduite d'échappement 1. Le récupérateur R comprend une enveloppe tubulaire 3 placée à l'intérieur de la conduite d'échappement 1 de manière sensiblement coaxiale pour déterminer un premier espace annulaire 2 pour l'échappement d'une partie des produits de combustion qui s'écoule autour de l'enveloppe tubulaire 3, suivant le sens de la flèche F.
L'enveloppe 3 (Fig.2) peut être constituée par une juxtaposition de couronnes élémentaires 3a, coaxiales à la conduite 1 , et présentant une section droite avec deux faces planes orthogonales à i'axe géométrique de la conduite 1 , la liaison entre les couronnes étant réalisée par une soudure étanche entre les nervures circulaires 3b, 3c. Dans l'espace annulaire 2, la partie de la section 3a faisant saillie radialement par rapport aux nervures 3b, 3c, forme une sorte d'ailette 3d favorisant les échanges thermiques avec les produits de combustion qui s'écoulent suivant le sens de la flèche F dans cet espace 2.
Les termes « amont » et « aval » utilisés dans la description et les revendications sont à comprendre selon le sens d'écoulement illustré par la flèche F.
L'espace 2 est relié en partie aval, située sur la gauche selon Fig. 2, à un orifice S (Fig.1 ) d'évacuation des produits de combustion, par exemple vers une cheminée.
Un tube de mélange 5 est disposé de manière sensiblement coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire 3 pour définir un second espace annulaire 4 compris entre la surface extérieure du tube 5 et la surface intérieure de l'enveloppe 3. L'air de combustion circule dans l'espace 4 suivant la direction des flèches A, à contre-courant des produits de combustion s'écoulant dans le premier espace annulaire 2, L'air est ainsi préchauffé à travers la paroi de l'enveloppe 3. Les parties 3e en saillie vers l'intérieur de l'enveloppe 3, par rapport aux nervures 3b, 3c constituent l'équivalent d'ailettes favorisant le transfert de chaleur entre l'enveioppe 3 et l'air de combustion passant dans l'espace 4. L'espace ou passage annulaire 4 est relié à son extrémité aval, située sur la gauche selon Fig. 2, à une entrée d'air de combustion E (Fig. 1).
L'air de combustion préchauffé, s'écoulant dans l'espace 4, est dirigé vers un embout 6 placé à l'extrémité du récupérateur R située du côté de l'arrivée des produits de combustion, c'est-à-dire l'extrémité située sur la droite selon Fig. 2.
Selon l'exemple de réalisation des Fig. 2 et 3, l'embout 6 est formé par un tambour creux avec deux parois planes d'extrémité 6a, 6b orthogonales à l'axe du tambour et une paroi périphérique cylindrique 6c d'une seule pièce avec la paroi 6a. La paroi amont 6b est appliquée, de manière étanche, contre le bord de la paroi périphérique 6c. La paroi aval 6a comporte une ouverture centrale 6d, coaxiale au tube 5, munie d'un prolongement tubulaire 8, de section transversale décroissante, faisant saillie dans le tube de mélange 5 du côté opposé à l'embout 6. Le prolongement 8, de préférence tronconique, constitue un injecteur provoquant l'augmentation de la vitesse de l'air de combustion qui le traverse.
La paroi 6a est appliquée de manière suffisamment étanche contre les extrémités de l'enveloppe tubulaire 3 et du tube 5 de mélange. La paroi 6a comporte, dans la zone annulaire comprise entre le contour intérieur de l'enveloppe 3 et le contour extérieur du tube 5 au moins un orifice 7, et de préférence plusieurs orifices 7, répartis angulairement suivant la circonférence, mettant en communication l'espace annulaire 4 et le volume intérieur de l'embout 6. Les orifices 7 peuvent avoir une forme arquée, centrée sur l'axe géométrique de l'embout.
L'air de combustion, qui arrive suivant le sens des flèches A, traverse les orifices 7, change de direction d'écoulement suivant les flèches A1 , sensiblement de 90°, pour se diriger radialement vers l'intérieur de l'embout 6 et, après un nouveau changement de direction sensiblement à 90°, s'écoule dans le tube de mélange 5 suivant la flèche A2. L'embout 6 définit ainsi un trajet qui inverse le sens d'écoulement de l'air de combustion et le dirige vers le tube de mélange 5. L'angle de chacun des deux changements de direction peut varier selon les modes de réalisation avec par exemple un premier angle à 80° et un second à 100α, la somme des deux angles étant sensiblement égale à 180°. L'embout 6 comporte au moins un conduit 9, et de préférence plusieurs conduits, par exemple quatre conduits 9 répartis à 90° suivant la circonférence, qui s'ouvrent directement sur la face 6b de l'embout tournée vers l'amont de la conduite d'échappement 1. Les conduits 9 débouchent également sur la face aval 6a dans le tube de mélange 5. Les conduits 9 sont orientés de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur R, comme illustré par les flèches H.
Avantageusement, les conduits 9 sont cylindriques avec génératrices parallèles à l'axe géométrique de l'embout 6. La section transversale des orifices 9 peut correspondre à un contour arqué de ligne moyenne centrée sur l'axe géométrique de l'embout 6.
Les conduits 9 débouchent dans le tube de mélange 5 dans une zone comprise radialement entre, d'une part, le contour intérieur du tube 5 et, d'autre part, le contour extérieur de l'injecteur 8 et de l'ouverture centrale 6d. L'air de combustion sortant de l'injecteur 8 à une vitesse relativement élevée crée un effet d'aspiration des produits de combustion et favorise le mélange avec ces produits.
L'embout 6, placé à l'extrémité amont du récupérateur R permet :
- l'écoulement de l'air de combustion préchauffé, en provenance du passage annulaire 4, vers l'intérieur du tube de mélange 5 à travers les orifices 7 et l'injecteur 8, avec inversion du sens d'écoulement ;
- l'écoulement d'une partie des produits de combustion 10 vers l'intérieur du tube de mélange 5.
L'ouverture des conduits 9 se trouvant directement en face amont de l'embout 6 permet un écoulement des produits de combustion 10 principalement parallèlement à l'axe du récupérateur.
Cette configuration présente l'avantage de permettre d'aspirer une proportion importante des produits de combustion 10 qui poursuivent leur trajet dans l'axe du tube de mélange 5 en traversant l'embout 6. Le chemin suivi par les produits de combustion 10 entraîne des pertes de charge réduites autorisant un niveau supérieur du taux de recirculation des produits de combustion.
En se reportant aux Fig. 4-7, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un récupérateur de chaleur selon l'invention, Les éléments identiques ou semblables à des éléments déjà décrits précédemment sont désignés par les mêmes références et leur description ne sera pas reprise ou ne sera effectuée que succinctement.
Sur Fig. 4, il apparaît que le récupérateur R comporte un corps 11 cylindrique coaxial à ia conduite d'échappement 1 reliée à ce corps. L'entrée d'air de combustion E présente un axe géométrique horizontal orthogonal à l'axe du corps 11. La sortie S du solde des produits de combustion présente un axe géométrique vertical et est orientée vers le bas tandis que la sortie M du mélange constitué de l'air de combustion et d'une partie des produits de combustion est diamétralement opposée à la sortie S. L'entrée E et les sorties S et M sont munies d'une collerette formant bride de raccordement à une canalisation.
Comme visible sur Fig. 5, le corps 11 comporte des cloisons intérieures séparant différentes zones qui communiquent avec l'entrée E et les sorties S et M. L'entrée E, non visible sur Fig.5, communique avec une chambre intérieure déterminée par une cloison cylindrique 12 présentant un fond transversa! 12a traversé de manière suffisamment étanche par le tube de mélange s qui se prolonge en aval au-delà du fond 12a. Un capuchon 13 de forme globalement cylindrique, coaxial au tube 5, est fixé sur une bride du corps 11 pour coiffer l'extrémité aval du tube 5. L'espace annulaire compris entre la surface extérieure du tube 5 et la surface intérieure du capuchon 13 communique avec l'orifice M de sortie du mélange d'air de combustion et de produits de combustion. Le sens d'écoulement de ce mélange est inversé de 180° à la sortie du tube 5 pour se diriger vers la sortie M.
L'embout 6 (Fig.6) comporte une partie cylindrique 14 de même diamètre que les nervures 3c de l'enveloppe 3. Cette partie 14 est appliquée de manière suffisamment étanche contre la nervure 3c de l'extrémité amont de l'enveloppe 3. L'extrémité amont de la partie cylindrique 14 est munie d'une sorte d'entonnoir 15 dont le bord périphérique amont 15a est recourbé à 180°. La paroi de l'entonnoir 15 forme une jupe sensiblement tronconique à partir du bord recourbé 15a et assure un raccordement entre le bord amont de la partiel 4 et le tube de mélange 5 de plus petit diamètre.
Le prolongement tubulaire 8 formant injecteur, en saillie dans le tube 5, est coaxial à l'entonnoir 15 dont il est rendu solidaire par des manchons 16, orientés radialement et débouchant vers l'extérieur dans l'espace 4 et, vers l'intérieur, dans le tube 8 par des ouvertures 17 de forme allongée et dont la largeur diminue de l'amont vers l'aval. Le prolongement tubulaire 8 est fermé, du côté amont, par une ogive 18 qui dirige les produits de combustion 10 vers les conduits 9 compris entre la surface interne de l'entonnoir 15 et la surface externe de l'élément tubulaire 8.
Sur Fig.7 on peut voir une partie de l'embout 6, depuis l'amont.
Le fonctionnement du récupérateur des Fig. 4 à 7 est semblable à celui décrit pour les Fig.2 et 3.
Comme illustré sur Fig. 6, l'air de combustion circule à contre- courant dans l'espace annulaire 4, pénètre dans la partie cylindrique 14 puis s'écoule par les ouvertures 17 dans l'élément tubulaire 8 et est injecté dans le tube 5.
Les produits de combustion 10 passent pour partie dans l'espace annulaire 2 vers la sortie S et, pour une autre partie, directement dans les conduits 9, avec un minimum de pertes de charge pour se mélanger dans le tube 5 avec l'air de combustion. Dans l'exemple de Fig.6, l'embout 6 comprend trois manchons 16 disposés à 120°.
L'écoulement des produits de combustion dans les conduits 9 peut être incliné d'un certain angle vers l'axe central du récupérateur, c'est-à-dire que l'entrée amont des conduits 9 se trouve alors plus éloignée radtalement de l'axe centra! (axe géométrique du tube 5) que la sortie aval des conduits 9. Cet angle d'inclinaison est avantageusement compris entre 0 et 45°.
Le rétrécissement de section à l'extrémité de l'injecteur 8 entraîne une augmentation de la vitesse de l'air qui provoque l'apparition d'une différence de pression entre l'intérieur du tube de mélange 5 et la conduite d'échappement 1 , avec aspiration des produits de combustion 10 directement vers le tube de mélange 5 par l'intermédiaire du ou des conduits 9.
Selon l'invention, l'air de combustion circule dans la section annulaire 4 dans le sens opposé aux produits de combustion circulant dans la section 2 et améliore de ce fait les échanges thermiques entre ies deux fluides et le profil de température du récupérateur, en diminuant les écarts de température entre une extrémité et l'extrémité opposée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Récupérateur pour brûleur à tube radiant, ce dernier comportant une conduite de brûleur (Tb) et une conduite d'échappement (1), le brûleur étant s placé en entrée de la conduite de brûleur, le récupérateur étant disposé en sortie de la conduite d'échappement, comprenant :
- une enveloppe tubulaire (3) placée à l'intérieur de la conduite d'échappement (1) de manière sensiblement coaxiale pour déterminer un premier espace annulaire (2) pour l'échappement d'une partie des produits de combustion qui
IO s'écoule autour de l'enveloppe tubulaire,
- un tube de mélange (5) disposé de manière sensiblement coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire (3) pour définir un second espace annulaire (4), compris entre le tube de mélange (5) et l'enveloppe tubulaire (3), dans lequel l'air de combustion circule à contre-courant des produits de combustion
) 5 s'écoulant dans le premier espace annulaire (2), et est préchauffé,
- l'air de combustion préchauffé étant dirigé vers un embout (6) placé à l'extrémité du récupérateur du côté de l'arrivée des produits de combustion, lequel embout définit au moins un trajet pour inverser le sens d'écoulement de i'air de combustion et le diriger vers une entrée dans !e tube de mélange (5) 0 suivant la direction sensiblement axiale, et comporte au moins un conduit (9) pour permettre le passage d'une partie des produits de combustion vers l'intérieur du tube de mélange, caractérisé en ce que le ou chaque conduit (9) de l'embout, pour le passage des produits de combustion, s'ouvre directement sur la face (6b) du5 récupérateur (6) tournée vers l'amont de la conduite d'échappement, et est orienté de manière à assurer un écoulement des produits de combustion principalement parallèlement à l'axe du récupérateur.
2. Récupérateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'entrée d'air0 dans le tube de mélange (5) comporte un prolongement tubulaire (8) de section transversale décroissante, faisant saillie dans le tube de mélange du côté opposé à l'embout.
3. Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le5 récupérateur comporte plusieurs conduits (9) pour les produits de combustion, répartis angulairement autour de l'entrée d'air (6d), disposée au centre.
4. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits (9) pour les produits de combustion ont un angle d'inclinaison avec l'axe longitudinal du tube de mélange compris entre 0 et 45°, limites incluses.
5. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque conduit (9) pour le passage des produits de combustion vers ie tube de mélange (5) définit un chemin direct qui entraîne peu de pertes de charge.
6. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque conduit (9) pour le passage des produits de combustion est situé, pour l'essentiel, radiaiement à l'intérieur du contour du tube de mélange.
7. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que i'enveloppe tubulaire comporte des ailettes radiales en saillie aussi bien sur la surface extérieure que sur la surface intérieure de l'enveloppe.
8. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embout (6) est formé par une sorte de tambour creux limité par deux parois planes (6a, 6b) essentiellement orthogonales à l'axe du récupérateur, la paroi du tambour (6a) tournée vers l'aval comportant des orifices (7) en communication avec le deuxième espace annulaire pour l'air de combustion, cette même paroi comportant un orifice central (6d) s'ouvrant vers le tube de mélange (5) pour l'entrée de l'air de combustion dans ce tube de mélange, l'autre paroi amont (6b) du tambour comportant les ouvertures pour les conduits (9) des produits de combustion, ces conduits (9) traversant le tambour parallèlement à l'axe du récupérateur et débouchant dans le tube de mélange (5), radiaiement à l'intérieur de ce tube.
9. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'embout (6) comprend une partie cylindrique (14) appliquée contre l'extrémité de l'enveloppe tubulaire (3), cette partie (14) étant prolongée en amont par une paroi (15a) recourbée radiaiement vers l'intérieur pour former un entonnoir (15) qui se raccorde au tube de mélange, l'entonnoir comportant dans sa partie centrale le prolongement tubulaire (8) formant injecteur pour l'air de combustion, ce prolongement étant supporté par des manchons (16) orientés racliafement mettant en communication le deuxième espace annulaire (4) et l'intérieur du prolongement tubulaire (8).
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