FR2654013A1 - Dispositif de reaction chimique par catalyse homogene en phase gazeuse, notamment bruleur catalytique. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un réacteur chimique par catalyse homogène en phase gazeuse en général, et un brûleur catalytique en particulier. Selon l'invention, le brûleur catalytique (8) comporte un noyau (18) réfractaire, traversé par une pluralité de canaux (18c) allongés selon la direction de passage du mélange à brûler. Des moyens de répartition (70) du mélange à brûler sont agencés pour différencier différentes zones sectionnelles du brûleur, l'une extérieure relativement froideassurant le passage de la majorité, voire la totalité du mélange à brûler, et l'autre axiale relativement chaude assurant le passage d'un débit minoritaire, voire nul du mélange à brûler. L'invention s'applique notamment à toutes sortes d'appareils chauffants, tel que fer à souder par exemple.
Description
De manière générale, la présente invention concerne un dispositif de réaction chimique, ou réacteur chimique, par catalyse homogène en phase gazeuse. De manière particulière, l'invention concerne la combustion catalytique d'un gaz combustible, tel que le butane, et plus spécifiquement les brûleurs catalytiques à air induit, c'est-à-dire sans aération secondaire au niveau du catalyseur. Sous ce dernier aspect, l'invention s'intéresse aux appareils chauffants incorporant un tel brûleur catalytique, notamment du type portatif.
De manière à expliciter l'invention, cette dernière sera tout d'abord introduite, définie et décrite par référence aux appareils chauffants portatifs avec brûleur catalytique à air induit. Et ensuite, la présente invention sera généralisée à tout réacteur chimique par catalyse homogène en phase gazeuse, dont les brûleurs catalytiques décrits ci-après constituent un mode particulier.
Selon le document FR-A-2 621 981, on a décrit un appareil chauffant avec brûleur catalytique, et plus précisément un fer à souder portatif, incorporant un réservoir rechargeable pour le gaz combustible. Un tel appareil comprend, dans le sens de circulation du gaz combustible
- un organe de contrôle d'un courant gazeux du gaz combustible sous pression, consistant en un moyen d'accouplement réversible et étanche avec une cartouche de gaz combustible sous pression
- un injecteur, éjectant un jet gazeux à partir du courant gazeux
- un tube de liaison, avec à son extrémité amont un moyen d'entraînement d'air primaire par le jet gazeux, pour former le mélange à brûler et transporter ce dernier vers l'extrémité aval de ce même tube
- un brûleur catalytique comportant un noyau ou substrat réfractaire, par exemple en céramique, traversé selon la direction de passage du mélange à brûler, de sa face d'entrée en relation avec l'extrémité aval du tube de liaison, à sa face de sortie évacuant les fumées de combustion, par une pluralité de canaux allongés chacun selon la direction de passage, dont la face interne est revêtue d'un catalyseur de combustion, tel que platine
- des moyens de répartition du mélange à brûler à la sortie du tube de liaison, consistant en une chicane ou bobine, disposée en vis-à-vis, et à distance de la face d'entrée du noyau réfractaire, agencée pour différencier au moins deux zones sectionnelles du brûleur, de révolution autour de son axe, étagées radialement de son axe vers sa périphérie, et assurant le passage de débits partiels respectivement différents du mélange à brûler ces zones sectionnelles sont respectivement, une zone axiale passant un débit partiel le plus important, une zone annulaire intermédiaire passant le débit partiel le plus faible, et une zone extérieure passant un débit partiel intermédiaire entre le débit le plus faible et le débit le plus important.
- un organe de contrôle d'un courant gazeux du gaz combustible sous pression, consistant en un moyen d'accouplement réversible et étanche avec une cartouche de gaz combustible sous pression
- un injecteur, éjectant un jet gazeux à partir du courant gazeux
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- un brûleur catalytique comportant un noyau ou substrat réfractaire, par exemple en céramique, traversé selon la direction de passage du mélange à brûler, de sa face d'entrée en relation avec l'extrémité aval du tube de liaison, à sa face de sortie évacuant les fumées de combustion, par une pluralité de canaux allongés chacun selon la direction de passage, dont la face interne est revêtue d'un catalyseur de combustion, tel que platine
- des moyens de répartition du mélange à brûler à la sortie du tube de liaison, consistant en une chicane ou bobine, disposée en vis-à-vis, et à distance de la face d'entrée du noyau réfractaire, agencée pour différencier au moins deux zones sectionnelles du brûleur, de révolution autour de son axe, étagées radialement de son axe vers sa périphérie, et assurant le passage de débits partiels respectivement différents du mélange à brûler ces zones sectionnelles sont respectivement, une zone axiale passant un débit partiel le plus important, une zone annulaire intermédiaire passant le débit partiel le plus faible, et une zone extérieure passant un débit partiel intermédiaire entre le débit le plus faible et le débit le plus important.
Matériellement, ces zones sont obtenues en prévoyant dans la chicane une partie centrale ou axiale perforée, correspondant et déterminant la zone axiale du brûleur catalytique, une pluralité de découpes ou encoches périphériques, chacune en forme de V, correspondant et déterminant la zone extérieure du brûleur, et une partie pleine annulaire entre la perforation centrale et les découpes, déterminant derrière elle, dans sa trainée, la zone annulaire intermédiaire du même brûleur.
En fonctionnement, à la sortie du tube de liaison, et en amont de la face d'entrée du noyau réfractaire, le mélange à brûler est divisé par passage au travers des moyens de répartition, ou chicane, en plusieurs veines gazeuses de vitesses différenciées, à savoir une première veine axiale de vitesse la plus importante, sortant de la partie centrale de la chicane, et passant dans la zone axiale du brûleur, une deuxième veine annulaire intermédiaire de vitesse la plus faible, mais non nulle, obtenue par entraînement du mélange à brûler derrière la partie pleine annulaire de la chicane, et passant dans la zone intermédiaire du brûleur, et une troisième veine annulaire extérieure de vitesse intermédiaire, sortant des encoches périphériques de la chicane, et passant dans la zone extérieure du brûleur.A la sortie du noyau réfractaire, et avant allumage du brûleur catalytique, ces veines donnent un flux gazeux sortant, ayant un profil de vitesse différencié selon la distance par rapport à l'axe du brûleur ; particulièrement, ce profil présente un creux de vitesse situé au voisinage de la face de sortie du noyau réfractaire, distribué selon une couronne intermédiaire à distance de l'axe du brûleur, correspondant et à la partie pleine de la chicane et à la zone intermédiaire dudit brûleur. C'est ce creux de vitesse qui permet d'accrocher sur ou au voisinage de la face de sortie du noyau réfractaire, une flamme nue temporaire échauffant ce dernier, et amenant le brûleur catalytique à sa température de fonctionnement en combustion catalytique.
Ceci étant, en fonctionnement catalytique, les brûleurs décrits précédemment présentent une durée de vie relativement faible, de l'ordre de 80 heures par exemple, ce qui représente un inconvénient majeur pour de nombreuses applications, par exemple le soudage, pour lesquelles l'appareil chauffant doit travailler sous forte charge thermique, par exemple de l'ordre de 100 W par cm2, et/ou en continu pendant des durées importantes.
Un tel inconvénient limite la diffusion et l'utilisation des brûleurs catalytiques du type précité, c'est-à-dire appelés par la pratique "nid d'abeille", pour différents appareils professionnels ou domestiques portatifs, requérant une source de chaleur à forte densité d'énergie thermique sous un faible encombrement. Cet inconvénient oblige le concepteur ou fabricant de ces appareils à concevoir le brûleur catalytique comme une pièce de rechange, ou consommable, ce qui suppose soit le démontage puis remontage de l'appareil pour l'utilisateur, ce qui n'est pas toujours souhaitable, soit le retour de l'appareil vers le fabricant pour remplacer le brûleur catalytique.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités. Et l'invention a pour objet d'améliorer dans des proportions significatives la durée des brûleurs catalytiques du type défini précédemment, et faisant partie de tout appareil chauffant.
Selon la présente invention, on a tout d'abord découvert que la résistance au vieillissement du brûleur catalytique ne dépend pas pour Iressentiel de la charge thermique du brûleur, mais est conditionnée principalement par les différentes températures de fonctionnement unitaire des différents canaux du noyau ou substrat réfractaire.Cette découverte s'appuie sur deux observations essentielles faites avec les brûleurs du type précité
a) pour un noyau réfractaire présentant en section un empilement quadrillé de canaux, les températures unitaires de fonctionnement croissent de l'extérieur vers l'intérieur ou axe du brûleur ; par exemple, elles sont de 10000 C pour les canaux à la périphérie du brûleur, dont la paroi échange directement de la chaleur avec l'extérieur, ou le corps métallique du brûleur, et de 13000 C pour le quatrième canal vers l'intérieur, ou axe du brûleur, séparé des canaux périphériques par des canaux intercalaires
b) en conséquence, ce sont les canaux axiaux, ou voisins de l'axe du brûleur, qui présentent les températures de fonctionnement les plus élevées ; et de fait, on observe souvent la destruction du noyau réfractaire par la fusion du noyau réfractaire dans cette zone.
a) pour un noyau réfractaire présentant en section un empilement quadrillé de canaux, les températures unitaires de fonctionnement croissent de l'extérieur vers l'intérieur ou axe du brûleur ; par exemple, elles sont de 10000 C pour les canaux à la périphérie du brûleur, dont la paroi échange directement de la chaleur avec l'extérieur, ou le corps métallique du brûleur, et de 13000 C pour le quatrième canal vers l'intérieur, ou axe du brûleur, séparé des canaux périphériques par des canaux intercalaires
b) en conséquence, ce sont les canaux axiaux, ou voisins de l'axe du brûleur, qui présentent les températures de fonctionnement les plus élevées ; et de fait, on observe souvent la destruction du noyau réfractaire par la fusion du noyau réfractaire dans cette zone.
A partir de ces observations, pour une même charge thermique donnée, il apparaît essentiel de limiter la température de fonctionnement des différents canaux du noyau réfractaire. Pour ce faire, de manière générale, l'invention propose d'agencer les moyens de répartition associés au brûleur catalytique, pour différencier dans ce dernier, d'une part au moins une zone sectionnelle relativement froide, en relation d'échange thermique avec au moins une paroi dissipatrice de chaleur, privilégiée, c'est-à-dire assurant le passage d'un débit partiel du mélange à brûler, représentant la majorité voire la totalité du débit d'alimentation de ce dernier, et d'autre part au moins une zone sectionnelle relativement chaude, relativement isolée thermiquement de ladite paroi dissipatrice, assurant le passage d'un débit partiel complémentaire du mélange à brûler, donc minoritaire, voire nul, lorsque par exemple la zone relativement chaude en question est obturée ou pleine.
Le principe général énoncé précédemment peut être mis en pratique selon différentes directions, parmi lesquelles on peut citer les réalisations principales suivantes
1) Les zones sectionnelles relativement chaudes peuvent être pleines, ou obturées par tout ou partie du moyen de répartition, moyennant quoi la totalité du mélange à brûler passe dans la ou les zones relativement froides, chaque dite zone étant en relation d'échange thermique avec au moins une paroi dissipatrice de chaleur.
1) Les zones sectionnelles relativement chaudes peuvent être pleines, ou obturées par tout ou partie du moyen de répartition, moyennant quoi la totalité du mélange à brûler passe dans la ou les zones relativement froides, chaque dite zone étant en relation d'échange thermique avec au moins une paroi dissipatrice de chaleur.
2) Ces zones sectionnelles peuvent avoir individuellement tout profil approprié, rond, circulaire, carré, etc... ; préférentiellement, ces zones ont une forme de révolution, par exemple cylindrique ou annulaire, autour de l'axe de révolution ou de symétrie du noyau réfractraire, et dans ce cas, elles peuvent être distribuées ou étagées de l'axe vers la périphérie du noyau, ou inversement ; ces zones peuvent être matérialisées par une partition correspondante du noyau réfractaire, ou déterminées dans ce dernier par l'écoulement du mélange à brûler, généré en amont ou en aval par le moyen de répartition, chicane par exemple.
3) La paroi dissipatrice de châleur peut être située à l'intérieur du noyau, par exemple sous la forme d'un ou plusieurs conduits internes de circulation indépendante d'air de refroidissement, selon la direction de passage du mélange à brûler, ou à l'extérieur du noyau, par exemple sous la forme d'une paroi périphérique métallique de contour du noyau réfractaire dans le cas où la paroi dissipatrice de chaleur a l'axe du noyau pour axe de symétrie, les zones sectionnelles ménagées dans le brûleur ont également une forme symétrique par rapport audit axe, par exemple annulaire ou cylindrique ; dans ce dernier cas, la zone sectionnelle relativement froide est située selon une zone annulaire extérieure, pour une paroi dissipatrice extérieure, cylindrique par exemple, et selon une zone annulaire intérieure, %r ] 4n## e;L et axiale par #e, pu une paroi dissipatrice iriieure; dans le premier cas, la zone relativement chaude est axiale ou intérieure, et dans le second cas extérieure.
4) Le substrat réfractaire peut avoir toute forme appropriée, plus ou moins épaisse selon la direction de passage du mélange à brûler, dès lors qu'il permet de différencier selon la définition générale de la présente invention, une face d'entrée recevant le mélange à brûler, et une face de sortie évacuant les fumées de combustion, avec plusieurs canaux ou chemins de circulation du mélange à brûler entre la face d'entrée et la face de sortie ; d'un côté il peut s'agir d'un noyau réfractaire, du type nid d'abeille, donc présentant une certaine épaisseur ou largeur, et de l'autre côté, d'un simple tissu réfractaire, relativement peu épais, tel que décrit dans la demande de brevet français N0 89 10 795 du 07/08/1989, au nom de la
Demanderesse, dont le contenu est incorporé à la présente en tant que de besoin.
Demanderesse, dont le contenu est incorporé à la présente en tant que de besoin.
Grâce à l'invention, par un protocole expérimental relativement simple, et comme précédemment avec un noyau réfractaire présentant en section un empilement quadrillé de canaux, si on obture la zone axiale du brûleur, alors la température de fonctionnement d'un quatrième canal vers l'intérieur se trouve limitée à 11000 C environ, au lieu de 13000 C comme précédemment observe.
Tout ceci contribue à un meilleur vieillissement du brûleur catalytique. Et de fait, toutes choses égales par ailleurs, on observe que les moyens spécifiques à l'invention permettent de porter la durée de vie des brûleurs concernés, au-delà de 200 heures, au lieu des 80 heures précédemment notées pour un brûleur selon le document FR-A2 621 981.
La présente invention présente encore les différentes variantes ou modes d'exécution suivants.
Tout d'abord, les moyens de répartition peuvent être disposés en amont ou en aval du noyau ou substrat réfractaire, selon le sens de circulation du mélange à brûler, dès lors qu'ils permettent de différencier l'écoulement du mélange à brûler selon différentes veines passant dans le noyau réfractaire, et déterminant dans ce dernier différentes zones correspondantes, à savoir selon l'invention, au moins une zone relativement froide
en échange thermique avec la paroi dissipatrice de châleur, et une zone
relativement chaude, relativement isolée par rapport à ladite paroi.
en échange thermique avec la paroi dissipatrice de châleur, et une zone
relativement chaude, relativement isolée par rapport à ladite paroi.
Comme précédemment, de la façon la plus simple mais non
exclusive, les moyens de répartition consistent en une chicane transversale,
disposée en vis-à-vis de la face d'entrée du noyau réfractaire, à distance ou
au contact de ce dernier, et comportant une partie pleine centrale ou
axiale, déterminant une zone sectionnelle axiale relativement chaude du
brûleur, et une partie ajourée annulaire ou périphérique, déterminant une
zone sectionnelle extérieure relativement froide du brûleur.
exclusive, les moyens de répartition consistent en une chicane transversale,
disposée en vis-à-vis de la face d'entrée du noyau réfractaire, à distance ou
au contact de ce dernier, et comportant une partie pleine centrale ou
axiale, déterminant une zone sectionnelle axiale relativement chaude du
brûleur, et une partie ajourée annulaire ou périphérique, déterminant une
zone sectionnelle extérieure relativement froide du brûleur.
Selon un autre mode d'exécution important de l'invention, les
moyens de répartion sont intégrés au noyau réfractaire du brûleur cataly
tique. Pour ce faire, tout d'abvord les canaux du noyau précité peuvent être
différenciés, par exemple par leurs sections unitaires, pour déterminer
comme précédemment une zone axiale relativement chaude à débit relati
vement faible, et une zone extérieure relativement froide à débit relati
vement important. Ensuite, toujours dans le même but, on peut prévoir une
zone axiale pleine, et une zone extérieure, s'étendant de la zone axiale à la
périphérie du noyau réfractaire, sans subdivision transversale, c'est-à-dire
unitairement en position d'échange de chaleur avec l'extérieur, ou une paroi
métallique correspondante.
moyens de répartion sont intégrés au noyau réfractaire du brûleur cataly
tique. Pour ce faire, tout d'abvord les canaux du noyau précité peuvent être
différenciés, par exemple par leurs sections unitaires, pour déterminer
comme précédemment une zone axiale relativement chaude à débit relati
vement faible, et une zone extérieure relativement froide à débit relati
vement important. Ensuite, toujours dans le même but, on peut prévoir une
zone axiale pleine, et une zone extérieure, s'étendant de la zone axiale à la
périphérie du noyau réfractaire, sans subdivision transversale, c'est-à-dire
unitairement en position d'échange de chaleur avec l'extérieur, ou une paroi
métallique correspondante.
La présente invention est maintenant décrite par référence aux
dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un appareil
chauffant avec brûleur catalytique conforme à la présente invention, la
partie supérieure de cette figure montrant appareil accouplé à une
cartouche d'un gaz combustible sous pression, par exemple du butane, et la
partie inférieure montrant le même appareil, désaccouplé par rapport à la
cartouche
- la figure 2 représente, à échelle agrandie et en coupe axiale, le
brûleur catalytique faisant partie de l'appareil montré à la figure 1 ; ;
- la figure 3 représente une vue en coupe du brûleur catalytique,
selon la ligne III.III montrée à la figure 2
- la figure 4 représente une vue à échelle agrandie, en coupe selon
la ligne IV.IV de la figure 2, du moyen de répartition ou chicane associé au brûleur catalytique montré à la figure 2
- la figure 5 est une représentation schématique du brûleur cataly
tique conforme aux figures 1 à 4, explicitant le principe de fonctionnement du même brûleur
- la figure 6 représente une vue en perspective d'un noyau réfractaire faisant partie d'une autre forme de réalisation d'un brûleur catalytique selon l'invention.
dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un appareil
chauffant avec brûleur catalytique conforme à la présente invention, la
partie supérieure de cette figure montrant appareil accouplé à une
cartouche d'un gaz combustible sous pression, par exemple du butane, et la
partie inférieure montrant le même appareil, désaccouplé par rapport à la
cartouche
- la figure 2 représente, à échelle agrandie et en coupe axiale, le
brûleur catalytique faisant partie de l'appareil montré à la figure 1 ; ;
- la figure 3 représente une vue en coupe du brûleur catalytique,
selon la ligne III.III montrée à la figure 2
- la figure 4 représente une vue à échelle agrandie, en coupe selon
la ligne IV.IV de la figure 2, du moyen de répartition ou chicane associé au brûleur catalytique montré à la figure 2
- la figure 5 est une représentation schématique du brûleur cataly
tique conforme aux figures 1 à 4, explicitant le principe de fonctionnement du même brûleur
- la figure 6 représente une vue en perspective d'un noyau réfractaire faisant partie d'une autre forme de réalisation d'un brûleur catalytique selon l'invention.
De manière générale, l'appareil décrit ci-après est semblable à celui décrit dans le document FR-A-2621981, dont le contenu est intégré à la présente description en tant que de besoin. L'appareil décrit ci-après ne diffère de celui décrit dans le document FR-A-2 621 981 que par les moyens de répartition du mélange à brûler, associés au brûleur catalytique.
Conformément aux figures 1 à 5, un appareil chauffant conforme à la présente invention, consistant en un fer à souder portatif, comprend les éléments ou organes principaux suivants
- un corps (1)
- un moyen d'accouplement (2) du corps (1) avec une cartouche (3) de gaz combustible sous pression, par exemple du butane, équipée d'une valve de prélévement non représentée ; ce moyen d'accouplement conforme à celui décrit dans le document FR-A-2 407 423 permet, de manière réversible, d'une part de solidariser le corps (1) de l'appareil à la cartouche (3), et d'autre part d'ouvrir la valve de cette dernière, avec étanchéité par rapport à l'extérieur, entre la valve ouverte et le corps (1) ; comme indiqué ci-après, le moyen d'accouplement (2) sert en même temps d'organe de contrôle du courant gazeux sortant de la cartouche (3) ;
- un injecteur (4) éjectant un jet gazeux à partir du courant de gaz combustible circulant dans le corps (1)
- un tube de liaison (5) continu et étanche, avec à son extrémité en amont, au niveau de l'injecteur (4), un moyen (6) d'entraînement d'air primaire ; dès lors, se trouve transporté vers l'extrémité aval du tube (5) un mélange à brûler, constitué du gaz combustible sous pression et de l'air primaire induit
- des moyens (70) de répartition du mélange à brûler, disposés et associés en amont du brûleur catalytique (8) défini ci-après ; ces moyens sont disposés à l'extrémité aval du tube de liaison (5);
- le brûleur catalytique (8) proprement dit, dont entrée communique donc avec la sortie de l'injecteur (4), par le tube de liaison (5)
- un capuchon (9) métallique, pourvu d'orifices d'évacutation (9a) des gaz brûlés, fermant la sortie du brûleur catalytique (8);
- une panne à souder (10), solidaire et montée sur le capuchon métallique (9).
- un corps (1)
- un moyen d'accouplement (2) du corps (1) avec une cartouche (3) de gaz combustible sous pression, par exemple du butane, équipée d'une valve de prélévement non représentée ; ce moyen d'accouplement conforme à celui décrit dans le document FR-A-2 407 423 permet, de manière réversible, d'une part de solidariser le corps (1) de l'appareil à la cartouche (3), et d'autre part d'ouvrir la valve de cette dernière, avec étanchéité par rapport à l'extérieur, entre la valve ouverte et le corps (1) ; comme indiqué ci-après, le moyen d'accouplement (2) sert en même temps d'organe de contrôle du courant gazeux sortant de la cartouche (3) ;
- un injecteur (4) éjectant un jet gazeux à partir du courant de gaz combustible circulant dans le corps (1)
- un tube de liaison (5) continu et étanche, avec à son extrémité en amont, au niveau de l'injecteur (4), un moyen (6) d'entraînement d'air primaire ; dès lors, se trouve transporté vers l'extrémité aval du tube (5) un mélange à brûler, constitué du gaz combustible sous pression et de l'air primaire induit
- des moyens (70) de répartition du mélange à brûler, disposés et associés en amont du brûleur catalytique (8) défini ci-après ; ces moyens sont disposés à l'extrémité aval du tube de liaison (5);
- le brûleur catalytique (8) proprement dit, dont entrée communique donc avec la sortie de l'injecteur (4), par le tube de liaison (5)
- un capuchon (9) métallique, pourvu d'orifices d'évacutation (9a) des gaz brûlés, fermant la sortie du brûleur catalytique (8);
- une panne à souder (10), solidaire et montée sur le capuchon métallique (9).
Tous les éléments et organes précédents ont été introduits successivement, en suivant le sens de circulation du gaz combustible à partir de la cartouche (3).
Le corps (1) a une forme creuse, présentant une symétrie de révolution par rapport à l'axe, et différentes sections de diamètres décroissants de l'extrémité amont vers l'extrémité aval, en suivant le sens de circulation du gaz combustible.
Le tube de liaison (5) est vissé sur le corps (1). Son profil interne est relativement large, au niveau des ouvertures radiales (6) d'arrivée d'air primaire, rétréci en aval de ces dernières, puis se réélargit vers la sortie ou extrémité aval du tube (5). Ce profil interne, par effet venturi, permet d'induire et d'entraîner de l'air primaire, par les ouvertures (6), et de mélanger celui-ci avec le jet de gaz combustible éjecté de l'injecteur (4).
En dehors des ouvertures (6), ce tube de liaison (5) est complètement continu et étanche par rapport à l'extérieur. Une bague de réglage (27) est montée mobile en rotation sur la partie inférieure du tube (5), et permet d'obturer partiellement les orifices (6) d'entraînement d'air primaire, en particulier au moment de l'allumage de l'appareil.
Un raccord (17) est disposé à l'extrémité aval du tube de liaison (5), par exemple par vissage. Le moyen (70) de répartition est disposé axialement dans un logement transversal (17a) prévu dans le raccord (17).
Ce moyen (70) consiste en une chicane ou bobine (7) avec bouchon (50), disposés transversalement par rapport à l'axe de l'appareil, en regardde la face d'entrée (18a) du noyau réfractaire (18) dont il sera question ci-après.
Conformément à la figure 4, cette bobine (7) comporte une partie centrale ou axiale perforée (7a), obturée par un bouchon (50) dont la tête (50a) est en appui et au contact de la face d'entrée (18a) du noyau réfractaire (18), une pluralité d'échancrures périphériques (7b), délimitées par des ailes radiales (7d), et - une partie pleine annulaire (7c) entre la perforation centrale (7a) et les encoches (7b). Bien entendu, l'ensemble chicane (7)/bouchon (50) peut être réalisé de manière monobloc.
Le brûleur catalytique (8) est délimité par une paroi métallique extérieure (19), ayant une forme de révolution autour de l'axe de l'appareil, vissée d'un côté sur le raccord (17), et formant de l'autre côté le capuchon (9) défini précédemment. Cette paroi (19) permet de dissiper de la châleur à l'extérieur du noyau (18).
La paroi (19), avec le raccord (17) forment un logement pour le noyau (18) en matériau réfractaire, par exemple en céramique, ayant une structure en nid d'abeille. Par conséquent, le noyau (18) est traversé, selon la direction du mélange à brûler, de sa face d'entrée (18a) à sa face de sortie (18b), par une pluralité de canaux (18c) de section carrée, dont la surface interne est revêtue par un catalyseur de combustion.
Le capuchon (9) est solidaire de la paroi (19) du brûleur catalytique (8) et les gaz de combustion sont évacués par les orifices (9a). Ce capuchon ferme donc la sortie (18b) du brûleur catalytique. La panne à souder (10) est montée par emmanchement dans un orifice axial du capuchon (9).
Le fonctionnement d'un dispositif ou appareil tel que précédemment décrit est le suivant.
Tout d'abord, une cartouche (3) est accouplée à l'appareil avec le moyen d'accouplement (2) conforme au document FR-A-2 407 423. Dès lors, la valve de la cartouche (3) est ouverte, et un chemin étanche est établi entre l'intérieur de la cartouche, par la valve ouverte, et l'intérieur du corps (1). Aucun autre organe de réglage du courant gazeux issu de la cartouche (3) n'est prévu, l'appareil fonctionnant en tout ou rien : c'est l'accouplement avec la cartouche qui établit la circulation d'un courant gazeux vers le brûleur catalytique (8), et inversement, c'est le désaccouplement qui interrompt cette circulation, la valve de la cartouche servant de clapet d'ouverture et de fermeture de l'ensemble appareil/cartouche.
Une fois la cartouche accouplée à l'appareil, le jet gazeux issu de l'injecteur (4) entraîne l'air induit par les ouvertures (6), pour constituer un mélange homogène à brûler, circulant par le conduit (5), de son extrémité amont à son extrémité aval, vers le moyen de répartition (70) et le brûleur catalytique (8).
Comme montré à la figure 5, le moyen de répartition selon l'invention permet de différencier dans le noyau réfractaire, deux zones sectionnelles (18c) et (18d) du brûleur, de révolution autour de son axe (80), successives radialement de son axe vers sa périphérie, et assurant le passage de débits partiels respectivement différents du mélange à brûler. Ces deux zones sont respectivement, une zone axiale (18d) de contour cylindrique, située dans la trainée de la tête (50a) du bouchon (50), dans laquelle passe un débit minimum, voire nul du mélange à brûler, et une zone extérieure (18c) de contour tubulaire, située dans la trajectoire de la veine gazeuse traversant les échancrures (7b) de la rondelle (7), dans laquelle passe la majorité, sinon la totalité du débit du mélange à brûler.En conséquence, à la sortie du brûleur (8), du côté de la face de sortie (18b), on obtient un profil transversal de vitesse du mélange à brûler, représenté à la figure 5 par un trait mixte (81), et différencié, c'est-à-dire présentant deux pics (81a) correspondant à la zone extérieure (18c), et un creux (8 lob) entre les deux pics (81a), situé sur ou au voisinage de la face de sortie (18b) du noyau réfractaire (18), correspondant à la zone axiale (18d). Bien entendu, ce profil présente une forme de révolution autour de l'axe (80).
Au moment de l'allumage, grâce au profil (81) des vitesses de sortie du mélange à brûler à la sortie du brûleur catalytique (8), par les mêmes mécanismes de combustion que ceux décrits dans le document
FR-A-2 621 981, il est possible d'allumer une flamme (22), représentée en traits pleins à la figure 5, de profil similaire au profil de vitesse. La partie centrale ou axiale de la flamme (22b) s'accroche sur ou au voisinage de la face de sortie (18b) du noyau réfractaire, tandis que la partie annulaire (22a) se forme à distance de cette même face de sortie.
FR-A-2 621 981, il est possible d'allumer une flamme (22), représentée en traits pleins à la figure 5, de profil similaire au profil de vitesse. La partie centrale ou axiale de la flamme (22b) s'accroche sur ou au voisinage de la face de sortie (18b) du noyau réfractaire, tandis que la partie annulaire (22a) se forme à distance de cette même face de sortie.
Dès que cette flamme (22) apparaît, c'est alors que le corps réfractaire (18) s'échauffe, jusqu'à atteindre une température de mise en régime du catalyseur de combustion. Cet échauffement s'effectue d'abord au niveau de la surface centrale sur la face de sortie (18b) délimitée par la zone centrale (18d), pour y amorcer la combustion catalytique. Puis la réaction ainsi amorcée diffuse à la fois vers la face d'entrée (18a), et radialement dans la zone extérieure (18c), du noyau (18). Puis une fois la combustion catalytique complètement démarrée, le mélange gazeux est brûlé sans flamme au sein du brûleur catalytique (8), de telle sorte que la flamme (22) s'éteint, l'utilisateur ayant l'impression que cette flamme (22) rentre à l'intérieur du brûleur catalytique (8).Dès ce moment, le capuchon (9) est alors porté, avec la panne (10), à une température de travail convenable, ce qui permet à l'utilisateur de travailler avec l'appareil.
Pendant le fonctionnement continu en régime catalytique, et pour les raisons déjà exprimées dans le préambule de la présente description, on peut différencier et distinguer dans le brûleur (8) deux zones de fonctionnement, la première centrale, (18d), de température relativement chaude et intérieure, puisque relativement isolée thermiquement de la paroi (19), et la seconde annulaire et extérieure (18c), de température relativement froide, puisqu'en relation d'échange thermique avec la paroi métallique (19).
Comme l'essentiel de la combustion s'effectue dans la zone (18c), on favorise une bonne tenue ou résistance du noyau (18) en céramique réfractaire.
Conformément à la figure 6, on a représenté en perspective un noyau réfractaire faisant partie drun autre mode de réalisation d'un brûleur catalytique selon l'invention. Le noyau représenté à la figure 6 se différencie de celui représenté à la figure 3, par les caractéristiques essentielles suivantes
- la zone sectionnelle axiale (18d) relativement chaude est pleine, et la section restante du noyau est occupée en totalité par la zone sectionnelle extérieure (18c) relativement froide, s'étendant de la zone axiale précitée à la périphérie de noyau réfractaire, sans subdivision transversale
- cette zone extérieure (18c) est divisée par une pluralité de cloisons radiales (18e), en une pluralité de canaux radiaux (18f), s'élargissant chacun de la zone axiale (18d) vers la périphérie du noyau
Un tel mode de réalisation permet d'obtenir des canaux unitaires échangeant chacun directement de la chaleur avec l'extérieur du brûleur, par l'une des faces du prisme représenté en perspective à la figure 6. Ceci permet d'obtenir des performances encore améliorées, puisque d'une part la température maximale atteinte à l'intérieur de chaque canal (18f) est de l'ordre de 900 à 1000 , et d'autre part la durée de vie d'un tel brûleur est bien supérieure à 300 heures de fonctionnement.
- la zone sectionnelle axiale (18d) relativement chaude est pleine, et la section restante du noyau est occupée en totalité par la zone sectionnelle extérieure (18c) relativement froide, s'étendant de la zone axiale précitée à la périphérie de noyau réfractaire, sans subdivision transversale
- cette zone extérieure (18c) est divisée par une pluralité de cloisons radiales (18e), en une pluralité de canaux radiaux (18f), s'élargissant chacun de la zone axiale (18d) vers la périphérie du noyau
Un tel mode de réalisation permet d'obtenir des canaux unitaires échangeant chacun directement de la chaleur avec l'extérieur du brûleur, par l'une des faces du prisme représenté en perspective à la figure 6. Ceci permet d'obtenir des performances encore améliorées, puisque d'une part la température maximale atteinte à l'intérieur de chaque canal (18f) est de l'ordre de 900 à 1000 , et d'autre part la durée de vie d'un tel brûleur est bien supérieure à 300 heures de fonctionnement.
La présente invention décrite précédemment pour un brûleur catalytique peut recevoir application sur toutes sortes d'appareils chauffants, au rang desquels on peut citer
- certains appareils ménagers comme un fer à repasser
- des appareils destinés à la salle de bains, tels qu'un fer à friser, un sèche cheveux, etc...,
- et divers appareils de bricolage, tels que le fer à souder décrit précédemment, mais aussi un pistolet à air chaud par exemple.
- certains appareils ménagers comme un fer à repasser
- des appareils destinés à la salle de bains, tels qu'un fer à friser, un sèche cheveux, etc...,
- et divers appareils de bricolage, tels que le fer à souder décrit précédemment, mais aussi un pistolet à air chaud par exemple.
Mais aussi, la présente invention peut être généralisée à tout réacteur chimique par catalyse homogène en phase gazeuse, avec les mêmes avantages que ceux décrits précédemment, à savoir augmenter la longévité du substrat ou noyau réfractaire supportant le catalyseur de la réaction chimique.
Pour passer de la définition du brûleur catalytique tel que défini précédemment, à un réacteur chimique selon la présente invention, il suffit de remplacer
- le terme "brûleur" par "dispositif de réaction chimique" ou "réacteur"
- le terme "combustion" par "réaction chimique"
- le terme "mélange à brûler", par "mélange gazeux soumis à la réaction chimique"
- le terme "fumées de combustion" par "produits gazeux de la réaction chimique
En définitive, le brûleur catalytique décrit précédemment ne constitue qu'un exemple parmi d'autres d'un réacteur chimique selon l'invention.
- le terme "brûleur" par "dispositif de réaction chimique" ou "réacteur"
- le terme "combustion" par "réaction chimique"
- le terme "mélange à brûler", par "mélange gazeux soumis à la réaction chimique"
- le terme "fumées de combustion" par "produits gazeux de la réaction chimique
En définitive, le brûleur catalytique décrit précédemment ne constitue qu'un exemple parmi d'autres d'un réacteur chimique selon l'invention.
Claims (15)
1 - Dispositif de réaction chimique par catalyse homogène en phase gazeuse, comprenant
- un noyau ou substrat (18) réfractaire, traversé de sa face d'entrée (18a) recevant le mélange gazeux soumis à ladite réaction chimique, à sa face de sortie (18b) évacuant les produits gazeux de ladite réaction, et selon la direction du passage dudit mélange, par une pluralité de canaux (18c) de passage, dont la surface interne est revêtue d'un catalyseur de ladite réaction chimique
- des moyens de répartition (70) du mélange gazeux, agencés pour différencier différentes zones (18c) (18d) sectionnelles du noyau ou substrat, assurant le passage de débits partiels respectivement différents du mélange soumis à réaction chimique
caractérisé en ce que les moyens de répartition (70) sont agencés pour différencier au moins une zone sectionnelle (18c) relativement froide, en relation d'échange thermique avec au moins une paroi (19) dissipatrice de chaleur, et au moins une zone sectionnelle (18d) relativement chaude, relativement isolée thermiquement de ladite paroi (19) dissipatrice, la ou les zones relativement froides assurant le passage d'un débit partiel majoritaire, au plus égal au débit d'alimentation du mélange gazeux soumis à réaction chimique.
2 - Dispositif selon la revendication 1, selon lequel les différentes zones (18c) (18d) du noyau (18) sont distribuées en révolution autour de l'axe (80) dudit noyau, dudit axe vers sa périphérie, caractérisé en ce que la paroi (19) dissipatrice de chaleur a l'axe (80) du noyau (18) pour axe de symétrie.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi dissipatrice (19) de chaleur est située à l'extérieur du noyau, moyennant quoi la zone sectionnelle (18c) relativement froide est située dans une zone extérieure du noyau, et la zone (18d) relativement chaude est une zone axiale ou intérieure.
4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi dissipatrice de chaleur est située à l'intérieur du noyau (18), moyennant quoi la zone sectionnelle (18c) relativement froide est située dans une zone intérieure du noyau, et la zone (18d) relativement chaude dans une zone extérieure du noyau.
5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de répartition (70) sont agencés pour passer un débit partiel relativement important dans la zone relativement froide (18c), et un débit partiel relativement faible dans la zone relativement chaude (18d).
6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de répartition (70) sont agencés pour passer le débit d'alimentation du mélange soumis à réaction, en totalité dans la zone relativement chaude (18c), et un débit partiel nul dans la zone relativement chaude (18d).
7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de répartition (70) sont disposés en amont du noyau ou substrat réfractaire (18), selon le sens de circulation du mélange soumis à réaction.
8 - Dispositif selon les revendications 3 et 7, caractérisé en ce que les moyens de répartition (70) consistent en une chicane (7) transversale, en vis-à-vis de la face d'entrée (18a) du noyau réfractaire (18), comportant une partie pleine (50) axiale, déterminant la zone sectionnelle axiale (18d) relativement chaude, et une partie ajourée annulaire (7b), déterminant la zone sectionnelle extérieure (18c) relativement froide.
9 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chicane transversale (7) est disposée à distance de la face d'entrée (18a) du noyau (18).
10 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chicane transversale (7) est disposée au contact de la face d'entrée (18a) du noyau (18).
11 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de répartition sont intégrés au noyau ou substrat réfractaire (18).
12 - Dispositif selon les revendications 3 et 11, caractérisé en ce que la zone axiale (18d) est pleine, et la zone sectionnelle extérieure (18c) s'étend radialement sans subdivision transversale, de la zone axiale à la périphérie du noyau réfractaire.
13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la zone (18c) sectionnelle extérieure est divisée par une pluralité de cloisons radiales (18c), en une pluralité de canaux radiaux (18f), s'élargissant chacun de la zone axiale à la périphérie du noyau (18).
14 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, ou brûleur catalytique (8), spécifiquement adapté à la combustion par cata lyse homogène d'un mélange gazeux à brûler, consistant en un mélange d'un gaz combustible (3) sous pression et d'air primaire comburant, les produits gazeux de la réaction consistant en les fumées de combustion.
15 - Appareil chauffant comprenant un brûleur catalytique selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend selon le sens de circulation du gaz combustible
- un organe (2) de contrôle d'un courant de gaz combustible
- un injecteur (4) éjectant un jet gazeux à partir du courant gazeux
- un tube de liaison (5) avec à son extrémité amont un moyen d'entraînement (6) d'air primaire par le jet gazeux, pour former le mélange à brûler et transporter ce dernier vers l'extrémité aval dudit tube
- ledit brûleur catalytique (8), dont la face d'entrée (8a) du noyau réfractaire (8) est en relation avec l'extrémité aval du tube de liaison.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8914751A FR2654013B1 (fr) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | Dispositif de reaction chimique par catalyse homogene en phase gazeuse, notamment bruleur catalytique. |
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|---|---|---|---|
| FR8914751A FR2654013B1 (fr) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | Dispositif de reaction chimique par catalyse homogene en phase gazeuse, notamment bruleur catalytique. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2654013A1 true FR2654013A1 (fr) | 1991-05-10 |
| FR2654013B1 FR2654013B1 (fr) | 1993-03-12 |
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|---|---|---|---|
| FR8914751A Expired - Fee Related FR2654013B1 (fr) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | Dispositif de reaction chimique par catalyse homogene en phase gazeuse, notamment bruleur catalytique. |
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|---|---|
| FR (1) | FR2654013B1 (fr) |
Cited By (3)
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Also Published As
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