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CA 02334985 2000-12-05
WO 00/63617 PCTIF'R00/00973
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PROCEDE POUR REALISER UN SUPPORT DE FLAMMES
Le domaine dle l'invention est celui des supports de flammes pour
brûleurs notamment à prémélange, fonctionnant au gaz.
On connaît déjà de tels supports où l'on cherche à stabiliser les
flammes produites, de nnanière à favoriser leur développement. D'autres
expressions désignent encore ces supports, telles que "plaques d'accrochage
de flammes", "grilles de combustion", "surfaces d'accrochage de flammes" ou
encore "tête de combustion". Elles sont typiquement réalisées en matériaux
divers, tels que la céramique ou le métal, et sont poreuses ou percées
d'orifices de taille et de répartition convenables pour permettre le passage
des gaz. Dans le brûleur, elles sont typiquement disposées entre les
chambres de répartition. et de combustion qu'elles séparent.
A partir de US-A-3 680 183, on connaît en particulier un procédé
de fabrication d'un tel support de flammes pour un brûleur, dans lequel
procédé :
a) on réalise des fibres métalliques disjointes dans un alliage
résistant à une température d'au moins 750 C environ et comprenant du fer,
du chrome et de l'alumnnium,
b) on réunit entre elles sous pression ces fibres, en créant ainsi
un mat de fibres agglomérées, et
c) on porte le mat de fibres à une température suffisante pour
assurer une liaison intiine entre les fibres du mat, à leurs points de contact-
Bien qu'il, soit donc utilisable pour un brûleur, l'enseignement de
ce brevet antérieur ne concerne pas spécifiquement un brûleur à gaz. Et
divers inconvénients sont considérés dans l'invention comme devant être
résolus, au vu de l'état de la technique.
Ainsi, le but de l'invention est de proposer un support de flammes
optimisé pour les brûleurs à gaz et répondant aux exigences suivantes :
- support qui puisse fonctionner tant en flammes "bleues"
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(flammes typiquement situées à l'extérieur du support) qu'en mode radiant
(flammes rentrées vers l'intérieur du support),
- rapidité et simplicité de fabrication du support,
- support fiable dans le temps (en particulier, eu égard aux
problèmes d'oxydation, de tenue mécanique, d'émission de polluants et de
puissances variables : znodulation pouvant atteindre 1 à 10, voire 1 à 30)
- qualité du support obtenu, eu égard en particulier aux
caractéristiques mécaniques et d'élasticité, lors de la fabrication,
- prix de irevient peu élevé,
- souplesse de mise en oeuvre du support permettant
l'obtention rapide, aisée et peu onéreuse de formes adaptées aux conditions
pratiques d'utilisation.
La solution proposée par l'invention pour tendre vers ces
exigences consiste en ce que :
- lors de l'étape a), on alimente avec ledit alliage métallique,
ayant une teneur en alhzminium supérieure à environ 4 % (voire 5 %), un
réservoir que l'on chauffe à une température supérieure ou égale à la
température de fusion de cet alliage, on met en contact l'alliage en fusion
avec une surface d'un moyen d'extraction en mouvement de telle sorte
qu'une quantité de méital liquide adhère à sa surface pour être extraite du
réservoir et on laisse la quantité de métal extraite refroidir et se
solidifier sur
la surface du moyen d'extraction, puis dans l'air ou dans un gaz neutre,
après qu'elle ait quitté cette surface sous l'effet d'une force de séparation
induite par le mouvement dudit moyen d'extraction,
- lors de l'étape b), on dispose (à sec) dans une matrice de
moulage les fibres disjointesf individualisées)obtenues lors de l'étape a) et
on
les y comprime sensiblement uniformément pour former ledit mat
aggloméré, de telle sorte que la porosité dans le mat soit sensiblement
uniforme,
- et, lors (le l'étape c), sans exercer de pression notablement
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supérieure à celle exei=cée lors de l'étape b),
. on relie le mat de fibres agglomérées à des électrodes et
à un condensateur,
. et, par l'intermédiaire de ces électrodes et par décharge
du condensateur, on porte les fibres à leurs points de contact à une
température supérieure ou égale à leur température de fusion, pour
provoquer un soudag(c des fibres exclusivement entre elles, sous haute
tension (soit au moins environ 1000 Volts), de telle sorte que la porosité
dans
le mat de fibres soudées soit sensiblement uniforme et sensiblement égale à
celle de l'étape b).
Avec un tel procédé :
- on limite les étapes de fabrication (en particulier, seule une
étape "à sec" est nécessaire pour créer le mat de fibres comprimées, à partir
des fibres métalliques disjointes),
- on obtient un mat performant thermiquement et
mécaniquement,
- on obtient, lors de l'étape a), des fibres métalliques
performantes et on maintient cette performance (en particuher thermique et
mécanique) jusqu'à l'obtention du support de flammes final, sans que l'étape
de compression ou l'étape de liaison intime mécanique des fibres entre elles
altère ces performances,
- on obtient un support de flammes à porosité homogène,
favorable à un fonctionnement optimisé du brûleur,
- le support de flammes fabriqué présente une tenue mécanique
intrinsèque.
On notera également que le terme déjà employé "soudage"
concerne spécifiquement un soudage exclusivement entre les fibres, au
minimum à leur température de fusion, ce qui est tout à fait différent d'un
frittage ("sintering"), le soudage concerné étant en outre spécifiquement un
soudage "sous décharge de condensateur" tout à fait différent d'un soudage
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obtenu avec une machine à souder à transformateur à beaucoup plus basse
tension (quelques dizaines à quelques centaines de Volts), inapproprié en
l'espèce compte tenu des caractéristiques de tenue mécanique et thermique
recherchées, ainsi que cies exigences de performance lors du fonctionnement
du. brfxleur.
A cet égard, le soudage s'effectuera dans l'invention sous une
tension d'au moins 1000 V (ou typiquement plusieurs milliers, voire
dizaine(s) de milliers de volts), avec une intensité de 1000 A au moins
(pouvant dépasser 10000 ampères) et ceci pendant une durée de l'ordre de
à 20 micro secondes.
A noter également qu'une caractéristique complémentaire de
l'invention conseille, lo:rs de l'étape a), de réaliser des fibres métalliques
contenant avantageusement entre 5,5 et 8 % d'aluminium, en poids.
Pour un effet favorable sur l'écoulement du fluide dans le support
de flammes, les fibres obtenues lors de l'étape a) seront avantageusement des
fibres allongées dans une direction et ayant en section une forme de lunule
(ou lenticulaire, ou "en croissant"), avec donc intérieurement (à l'endroit de
leur face concave) un canal en creux.
En section, la corde extérieure de ces fibres sera avantageusement
comprise entre 300 et 3000 microns, avec une moyenne typiquement aux
environs de 800 m, et une hauteur moyenne d'environ 20 à 200 m. La
longueur des fibres sera avantageusement comprise entre environ 0,7 cm et
15 cm, et de préférence, supérieure à environ 1 cm. En termes de porosité du
support de flammes, celle-ci sera avantageusement comprise entre environ
60 % et 95 %, de préférence avec une répartition sensiblement isotropique
des fibres dans le support, lequel pourra être utilisé tant sur un brûleur
atmosphérique qu'un brûleur à air soufflé.
Pour obtenir des fibres métalliques telles que présentées ci-avant,
le "moyen d'obtention" comprendra de préférence une roue dont la surface
sera pourvue de rainures (ou bien de dents) régulièrement espacées et
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chacune munie d'une fine arête, on fera tourner la roue et on fera affleurer
l'arête de chaque rainure avec le métal en fusion de telle sorte que chaque
rainure pourra extraire une quantité d'alliage métallique sensiblement
équivalente à celle nécessaire à la formation d'une fibre métallique, une fois
5 le métal refroidi et solidifié.
On notera également qu'en fonction de la porosité du support de
flammes à obtenir, les conditions de compression/soudage seront
différentes : si la porosité est comprise entre environ 60 et 80 à 85 %, alors
la
compression s'effectuera dans la matrice de moulage, mais le soudage
pourra s'effectuer hors moule (les parois de la machine à souder seront
électriquement isolantes, seules les électrodes étant électriquement
conductrices). La température de chauffage aux points de contact entre les
fibres pourra atteindre; voire dépasser 1450 C.
Pour une porosité supérieure (environ 85 à 95 %), tant la
compression que le soudage s'effectueront dans la matrice de moulage,
toujours à paroi non conductrice électriquement et avec une température
comparable à celle indiquée ci-avant.
L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront encore plus
clairement à l'aide de la description qui va suivre, faite en référence aux
dessins dans lesquels :
- la figure 1 montre schématiquement un principe d'obtention des
fibres métalliques par "melt overflow" (débordement du bain d'alliage
métallique),
- la figure 2 est une vue de détail agrandie de la zone II de la
figure 1,
- la figure 3 est une vue très agrandie en coupe d'une forme "en
croissant" caractéristique d'une fibre obtenue par la technique illustrée sur
la
figure 1,
- la figure 4 présente schématiquement un moule de compression
des fibres pour obteniir un mat,
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- la figure 5 présente schématiquement un système de soudage de
ce mat par décharge de condensateur,
- la figure 6 est une vue en coupe d'une plaque support de
flammes à porosité variable,
- les figures 7 et 8 sont deux variantes de réalisation de la plaque
de la figure 6,
- et la figure 9 est une vue en coupe d'un brûleur équipé d'un
support de flammes conforme à l'invention.
Les figures 6 à 8 représentent une plaque d'accrochage 1 de forme
parallélépipèdique constituée d'une pluralité de fines fibres 10 en alliage
métallique FeCrA1X (avec X = Yttrium ou une terre rare ou un mélange de
terres rares telles que c:érium ou erbium, voire du "mischmetall"), par
exemple un acier inoxydable à forte teneur en aluminium (environ 7% de sa
constitution), les fibres étant comprimées de façon à donner à la plaque sa
forme définitive.
La technique utilisée pour réaliser les fibres 10 fait appel de façon
générale à un réservoir rempli d'un alliage métallique (ici un acier
inoxydable réfractaire aluminoformeur) que l'on porte à une température
supérieure ou égale à sa température de fusion de telle sorte qu'il devienne
_20 liquide. Un moyen d'extraction mobile en mouvement est alors mis en
contact avec ce métal de telle sorte que ce mouvement, qui peut être une
rotation ou une translation, extrait une partie de métal en fusion qui vient
adhérer à une surface périphérique en général très fine du moyen
d'extraction. Par la suite, le métal refroidit sur l'élément puis est éjecté
de sa
surface par une force induite par son mouvement (force centrifuge dans le
cas d'un mouvement dle rotation) pour se solidifier très rapidement dans
l'air (refroidissement cle plusieurs dizaines de milliers de degrés par
seconde) ou dans un gaz neutre (argon par exemple) de façon à former un
filament d'une certaine longueur. De préférence, et comme cela est décrit ci-
après, le moyen d'extraction est une roue mise en rotation selon un axe et
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munie d'une surface de contact discontinue, par exemple sous la forme de
rainures ou de dents régulièrement espacées.
Pour satisfaire au mieux les consignes énoncées en début de
description, on privilégie la technique dite du "melt overflow". Selon cette
technique (voir figure 11), on remplit un réservoir 3 de l'alliage métallique
5
devant constituer les filbres et on le chauffe pour obtenir un bain de métal
en
fusion. On fait déborder légèrement et constamment ce bain et on place une
roue rainurée 7 au ras de sa paroi débordante de telle sorte qu'en faisant
tourner la roue à vitesse élevée, on extrait une certaine quantité de matière
métallique liquide par adhésion de ladite matière avec une parmi plusieurs
rainures réparties sur la périphérie de la roue, telles que 7a pour l'une
d'entre elles (voir figure 2), lorsque celle-ci entre en contact avec
l'alliage en
fusion. Cette quantité cle matière se solidifie alors en refroidissant sur la
roue
pour former une fibre "L0 à section en forme de croissant (ou lenticulaire,
comme déjà indiqué), voir figure 3, avec en particulier une surface intérieure
10a concave, favorable à l'écoulement du fluide (gaz) dans le support de
flammes. Ensuite, la "fibre" est éjectée par centrifugation dans l'air ou dans
un gaz neutre de protection où elle finit de se refroidir pour constituer donc
définitivement une fibre métallique à section "en croissant", de longueur
correspondant à celle de la rainure dans laquelle elle s'est formée.
Bien qu'elle soit moins performante, on pourrait également utiliser
la technique dite du "nielt extraction". Selon cette technique, on fait
tourner
une roue munie de rainures (ou dents) au-dessus du réservoir chauffé
contenant toujours le bain d'alliage en fusion. On fait tremper légèrement la
roue dans ce bain et on la met en rotation de telle sorte qu'une certaine
quantité de matière adhère à chaque rainure (ou dent) et soit extraite du bain
pour former un ménisque sur cette rainure, puis commence à se solidifier en
refroidissant sur la roue pendant sa rotation avant d'être éjectée par
centrifugation dans l'air (ou dans un gaz neutre tel que de l'argon) où elle
finit de refroidir pour former la fibre métallique définitive.
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Une fois les filaments, ou fibres, 10 obtenus, on forme un mat
dans un moule (ou presse à emboutir) 100 représenté sur la figure 4. Pour
cela, on place les fibres dans la cavité 112 de cette matrice et on vient
appliquer contre ces fibres une force de compression F importante à l'aide
d'un poinçon mobile 1'14 de façon à réaliser un mat de fibres compactées 115
(voir figure 5) de la forme voulue. Cette forme peut être parallélépipèdique,
circulaire, voire conique ou annulaire, ... et correspondre à la forme
définitive du support de flammes. A priori, le degré de porosité atteint à
l'issue de cette compression sera celui du support définitif (60 à 95 %).
Au préalable, on peut avoir broyé ou coupé les fibres 10 (surtout
si elles mesurent plusieurs centimètres à dizaines de centimètres de
longueur) de telle sorte qû elles se répartissent plus facilement dans la
cavité
112.
Typiquemertt, on les tamise avant de les placer dans cette cavité
de façon à les calibrer en fonction du type de support que l'on veut obtenir.
Si le degré de porosité du mat comprimé 115 est inférieur à
environ 85 % (à quelques pour-cent près), alors l'étape de consolidation de ce
mat par soudage va s'effectuer en dehors du moule, comme illustré sur la
figure 5.
Dans cette hypothèse, le mat 115 est placé dans l'espace intérieur
116 d'une machine à souder par décharge du condensateur 117. Cette
machine dont l'espace intérieur 116 est adapté à la forme et aux dimensions
du mat (sur lequel aucun effort supplémentaire de compression mécanique
ne doit être appliqué), comprend des parois latérales électriquement
isolantes 118 et deux électrodes 119a, 119b, entre lesquelles est placé le mat
115 et qui définissent l'espace 116 avec les parois latérales 118. Les deux
électrodes 119a, 119b, sont reliées aux bornes d'un condensateur 120, avec
interposition sur le circ:uit d'un interrupteur 121. Le repère 122 représente
la
masse. Les deux électrodes sont en contact électrique avec les fibres
métalliques du mat, de telle sorte que la fermeture de l'interrupteur 121
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provoque la décharge du condensateur 120 qui, avec les autres éléments en
cause, a été dimensionnée pour que l'on puisse délivrer aux points de contact
entre les fibres une tension de plusieurs milliers, voire dizaines de milliers
de volts, et une intensiité typiquement de quelques milliers d'ampères à
quelques dizaines de niilliers d'ampères selon la pièce à réaliser, ceci
pendant une durée de :l'ordre de une à quelques dizaines de micro-secondes
sans comparaison avec les durées typiquement supérieures à la seconde et
les tensions (de l'ordre de quelques dizaines de volts) des soudages par
transformateur, bien connu, mais qui ne conviennent pas en l'espèce compte
tenu des caractéristiques des fibres et de la structure à obtenir. En
particulier,
un tel soudage par décharge de condensateur permet d'être assuré que la
grande majorité (de préférence de plus de 90 %) des fibres est soudée à au
moins deux points de c:ontact, ce qui garantit une fiabilité dans le temps et
une tenue mécanique intrinsèque sécurisée du support de flammes. En outre,
les conditions de ce soudage (qui n'est pas un frittage, puisque la
température de fusion des fibres entre elles est localement atteinte, bien que
la température générale du mat soit nettement inférieure à 100 , telle que 50
à 60 C) permet d'utilis(er un appareil de soudage 117 qui n'a pas besoin de
tenir aux hautes températures, donc d'un coût moindre (les parois 118
peuvent être en plastique).
Dans l'hypothèse d'une compression des fibres dans la cavité 112
telle que la porosité du mat obtenue soit supérieure à environ 85 %, alors le
soudage des fibres entre elles devrait s'effectuer a priori à l'intérieur même
du moule. Pour cela, le système à deux électrodes se faisant face de la figure
4 serait appliqué au moule 100 de la figure 4, et un circuit à condensateur
120
serait branché en conséquence.
En outre, avec ce procédé, on obtient des fibres dans des alliages
comportant donc de fortes proportions d"aluminium sans que ces fibres
cassent ou que leur transformation soit exagérément coûteuse.
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Avec la techulique utilisée, il est encore possible d'obtenir des
plaques à porosité variable. Pour cela, on peut augmenter la
pression dans certaines zones de la cavité de l'outil de compression par
rapport à d'autres zones ou bien augmenter la quantité de fibres dans ces
5 même zones où l'on souhaite avoir une porosité plus faible. Une vue en
coupe d'une plaque 1 obtenue à l'aide de cette méthode est représentée sur
la figure 6.
On peut aussi réaliser des fibres 10 et 12 de diamètres différents et
les disposer d'une certaine façon dans la matrice, par exemple avec les fibres
10 les plus fines dans la (lles) zone(s) ou l'on souhaite une porosité plus
faible.
Une vue en coupe d'uiae plaque 1 circulaire obtenue à l'aide de cette
méthode est représentée sur la figure 7 sur laquelle les fibres les plus
grosses
en diamètre sont sensiblement au centre de la plaque.
L'avantage du moule 100 est qu'il permet d'obtenir directement la
forme définitive du support (cylindrique plein, anneau, cylindre annulaire,
...), avec une porosité figée, voire sa cohésion mécanique définitive si le
soudage interfibres s'effectue dans le moule.
Pour des supports plus grands, on peut toutefois relier entre eux
bout à bout plusieurs supports 1a,1b et 1c ayant chacun une porosité
différente de façon à former une grande plaque plane à porosité variable
(figure 8).
Enfin, comrne le procédé de réalisation des fibres permet de
réaliser des fibres à composition variable, il est tout à fait possible de
réaliser
une plaque constituée de fibres ayant des compositions différentes, soit en
mélangeant lesdites filbres de façon homogène, soit au contraire en disposant
un certain type de fibres dans une ou plusieurs zones de la cavité, et un
autre
type de fibres dans la ou les autres zones de ladite cavité de façon à obtenir
une plaque ayant des caractéristiques physiques variables. Ainsi, pour une
plaque circulaire, il pourra être intéressant de disposer les fibres qui
résistent
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aux plus hautes températures au centre de la plaque, là où la flamme sera la
plus forte, et d'utiliser des fibres moins résistantes à la périphérie.
A titre d'exemple, la figure 9 illustre une configuration possible
de la plaque d'accrochage en alliage métallique FeCrAIX réalisée avec le
procédé décrit ci-avant et comportant en particulier environ 7%
d'aluminium.
Sur cette figure 9, on voit représenté un support de flammes 1,
monté dans un brûleur de type connu, référencé dans son ensemble en 80,
comme par exemple un brûleur domestique à prémélange total et à flamme
bleue.
Ce brûleur 80 comporte essentiellement une chambre de
répartition 81, qui a la forme générale d'un caisson en tronc de cône, à
section sensiblement circulaire, connecté au niveau de sa face arrière la plus
étroite 81a aux conduites séparées 83, 84 d'alimentation respectivement en
air comburant et en gaz combustible. Sur cette figure, les sigles AV et AR
permettent de situer les côtés respectivement "avant" et "arrière" du brûleur,
en référence à la circullation du mélange combustible dans le brûleur, tel que
schématisé par les flèches 87, 87' et 88. Cette chambre de répartition 81 est
séparée d'une chambre de combustion 82, sur sa face avant, par le support
de flammes 1. En l'espèce, ce support se présente sous la forme d'un cylindre
creux (annulaire) de hauteur H et d'épaisseur E. Une plaque pleine 86 ferme
frontalement l'extrémité libre du support 1. Comme on peut le voir, la
conduite 84 d'alimentation en gaz combustible rencontre le conduit 83
d'alimentation en air juste en amont de la chambre de répartition (en 85).
Bien entendu, on prévoit ici d'installer un ventilateur en amont du conduit
83 (alimentation en aiir sous pression) ou de la chambre de combustion, mais
il est possible de prévoir une alimentation "naturelle" en air (brûleur à "air
atmosphérique"). Tel qu'illustré, l'allumage du brûleur est assuré par une
électrode 97 convenablement isolée et alimentée sous haute tension par un
câble d'alimentation rion représenté.
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Les flammes se développent à l'extérieur de ce cylindre, le
mélange de gaz passan;t au centre de celui-ci avant de sortir. A titre
d'exemple, un anneau de diamètre intérieur 50 mm, de diamètre extérieur
70 mm et de hauteur 15 mm (surface de chauffe = 3297mm2) a été testé. Dans
cette configuration, on obtient en mode radiant une puissance minimale de
2 kW (soit une puissance surfacique de 607 kW/mz) et une puissance
maximale en flamme bleue de 30 kW (soit une puissance surfacique de
9099 kW/mz). La gamxne de modulation est donc de 2 à 30 kW soit un
rapport de 1 à 15. Les émissions de monoxyde de carbone (CO) sont
quasiment nulles sur toute la plage de fonctionnement. Pour les oxydes
d'azote (NOx), elles sont inférieures à 60 mg/kWh pour des aérations
(facteur n) de l'ordre de 30 %.
En variante, la structure support de flammes peut être réalisée
avec plusieurs anneaux poreux empilés coaxialement et séparés deux à deux
par une entretoise pleine non poreuse, ou encore comme une plaque
circulaire bombée ou conique pleine, voire d'autres formes.
