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WO2023186748A1 - Bruleur de fibrage de laine de verre - Google Patents

Bruleur de fibrage de laine de verre Download PDF

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Publication number
WO2023186748A1
WO2023186748A1 PCT/EP2023/057730 EP2023057730W WO2023186748A1 WO 2023186748 A1 WO2023186748 A1 WO 2023186748A1 EP 2023057730 W EP2023057730 W EP 2023057730W WO 2023186748 A1 WO2023186748 A1 WO 2023186748A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
burner
injector
flow
oxidizer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/057730
Other languages
English (en)
Inventor
Antoine VERDIER
Guillaume Cleon
Vincent Bonhomme
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Isover SA France
Original Assignee
Saint Gobain Isover SA France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Isover SA France filed Critical Saint Gobain Isover SA France
Priority to EP23713391.3A priority Critical patent/EP4274813A1/fr
Priority to KR1020247031854A priority patent/KR20240169623A/ko
Priority to AU2023244437A priority patent/AU2023244437A1/en
Priority to CN202380031471.6A priority patent/CN118973971A/zh
Priority to CA3243443A priority patent/CA3243443A1/fr
Priority to JP2024557170A priority patent/JP2025513734A/ja
Publication of WO2023186748A1 publication Critical patent/WO2023186748A1/fr
Priority to CONC2024/0012782A priority patent/CO2024012782A2/es
Priority to MX2024011995A priority patent/MX2024011995A/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/04—Manufacture of glass fibres or filaments by using centrifugal force, e.g. spinning through radial orifices; Construction of the spinner cups therefor
    • C03B37/048—Means for attenuating the spun fibres, e.g. blowers for spinner cups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/04—Manufacture of glass fibres or filaments by using centrifugal force, e.g. spinning through radial orifices; Construction of the spinner cups therefor

Definitions

  • the invention relates to a burner intended to be used as part of a process for forming glass fibers, during which the stretching of the fibers results from gas currents emitted at high temperature and at high speed by said burners alone. , or in combination with other means such as centrifugation means or die-type stretching means.
  • the fibering process commonly used for fiberglass is the so-called internal centrifugation process. It consists of introducing a stream of stretchable material in the molten state into a centrifuge, also called fiberizing plate, rotating at high speed.
  • a centrifuge also called fiberizing plate
  • Such a fiberizing plate can alternatively be equipped or not with a bottom and is pierced at its periphery by a very large number of orifices through which the material is projected in the form of filaments under the effect of centrifugal force.
  • Such a process for fiberizing glass wool should be distinguished from that commonly used for rock fiber, known as the external centrifugation fiberization process.
  • the material to be fiberized is poured in the molten state onto the peripheral band of rotating centrifugation wheels, is accelerated by these wheels, detaches from them and is partially transformed into fibers under the effect of centrifugal force, a gaseous current being emitted tangentially to the peripheral band of the wheels so as to take charge of the fibered material by separating it from the infibrated material and to convey it to a receiving organ.
  • the external centrifugation fiberization process we can refer to patent application EP195725.
  • patent EP0189354B1 describes a burner suitable for drawing glass fibers, which comprises an annular-shaped combustion chamber, delimited by walls of refractory material, which opens onto a circular expansion slot whose direction is substantially parallel to the axis of the burner.
  • burners of the type described in EP0189354B1 also illustrated by the , comprise an injector opening into the lower peripheral part of the combustion chamber, in order to inject therein an oxidant and combustible gas mixture.
  • the mixture between the fuel and the oxidant is therefore carried out before their introduction into the combustion chamber.
  • Such a technological choice finds its origin in the physical mechanisms involved in stabilizing the flame of a burner. As illustrated in Figures 2, 3 and 4, the stability of the flame depends mainly on the two opposite speeds which are the speed of ejection of the flow of fuel/oxidant mixture (uf) on the one hand, and the speed movement of the flame (Sf) on the other hand.
  • the flame is stabilized. In such a state, the flame can alternately remain “hung” on the injector, or be maintained at a constant distance from the latter.
  • the speed of the flame (Sf) is greater than the speed of the fuel/oxidant mixture (uf), as illustrated by the , the flame moves (Sd) towards the source of the injector, with the risks of explosion, or at least degradation of the injector, inherent in such a situation. We then speak of “backfire”.
  • the speed of the flame (Sf) is lower than the speed of the fuel/oxidant mixture (uf), as illustrated by the , the flame moves away (Sd) from the injector and then risks going out or in other words, being “blown out”.
  • the combustion chamber being provided with at least one flame stabilizing element located near the internal wall of the combustion chamber and the expansion orifice, this flame stabilizing element constituting a recirculation zone in which can be maintained at least part of the combustion between oxidizer(s) and fuel(s), in order to stabilize the burner flame.
  • the invention makes it possible to meet this need, and relates to a burner suitable for drawing glass fibers, comprising: - a combustion chamber of annular shape, preferably delimited by walls made of refractory material, which opens onto a circular expansion slot whose direction is substantially parallel to the axis of the burner, and - an injection system comprising at least one injector, preferably of tubular shape, arranged to supply the combustion chamber with fuel and oxidant in the gaseous state, said burner being characterized in that said injector comprises at least one angular deflection element adapted to generate a flow of oxidizer and/or fuel whose flow is swirling.
  • tubular means an injector composed of one or a succession of coaxial hollow cylinders having as central cavity an injection chamber opening onto the combustion chamber.
  • Angular deflection designates the modification by the injector of the trajectory of the oxidant and/or fuel flow in order to make its flow swirly.
  • the fuel can be in liquid or gaseous form.
  • the oxidizer is chosen from a non-limited list, including air.
  • vortex describes a flow animated by a spiral movement whose tangential component, also called azimuthal, is non-negligible, so that a reduction in pressure occurs on the axis of the injector and induces the creation of an internal recirculation zone.
  • this internal recirculation zone allows the flame to hang near the exit of the injector. Indeed, such a zone is characterized by high levels of negative axial speeds.
  • the attachment of the flame is further favored by the presence of toroidal recirculation zones which return part of the burned gases to the base of the combustion chamber, thus causing significant preheating of the fresh gases.
  • a burner according to the invention therefore makes it possible to significantly improve the efficiency of combustion, in particular in lean conditions, in which the ratio of the quantity of fuel (gas) to the quantity of oxidant (air) is low. At the same heating power, fuel consumption and the resulting CO2 emissions are therefore reduced.
  • expanding the operating range of the burner makes it possible to obtain better flexibility in the fiber drawing operating conditions. It is thus possible to vary the diameter and/or length of the glass fibers.
  • a burner according to the invention has improved durability over time compared to a " Bluff-body”, and is moreover compatible with the injection of a pre-mixture of fuel and fuel, unlike a “Bluff-body” type burner.
  • the intensity of the rotary movement of the flow is characterized by the value of the swirl number S at the injector outlet.
  • This swirl number S generally expresses the ratio between the tangential and axial momentum fluxes and is defined by the following formula:
  • Increasing the value of the swirl number S reduces the height of the flame, but tends to increase the opening of the flame.
  • the adoption of a wide flame opening makes it possible to limit the number of injectors arranged around the perimeter of the combustion chamber, while guaranteeing uniform heating of the latter.
  • said angular deflection element is a ring coaxial with the injector, preferably removable, comprising at least one lateral conduit adapted to allow the introduction of the swirling flow of oxidizer and/or fuel into the chamber.
  • injection of the injector with said angular deflection angle ⁇ is preferably between 10° and 80°, more preferably between 20° and 70°, more preferably between 30° and 60°, more preferably between 40° and 50°.
  • the angle formed by the lateral conduit with respect to the normal of the circular section of the ring corresponds to the angle ⁇ of angular deflection of the flow of oxidizer and/or fuel entering into the calculation of the number of swirl S.
  • this angle ⁇ tends towards the values of 0° and 90°, the swirl effect disappears, the flow speed tends to be exclusively axial, thus impacting the swirl number S, and therefore the structure of the flame.
  • the value of this angle ⁇ tends towards 45°, the swirl effect increases to allow optimal mixing of the fuel and the oxidizer. For an equal quantity of oxidizer, it is thus possible to reduce the quantity of fuel injected.
  • the removable nature of the angular deflection ring makes it possible to replace the latter more easily and at lower cost, for maintenance reasons of adaptation of said injector to a new operational operating range.
  • said angular deflection element can be a set of deflectors arranged within the injection chamber in order to rotate the flow of oxidizer and/or fuel.
  • the injection system is adapted to separately supply said injector with fuel on the one hand, and with oxidant on the other hand.
  • Such a separate injection makes it possible to protect against the risk of flame flashback, in the absence of an oxidizer/fuel mixture upstream of the injector, and offers the possibility of preheating the oxidizer (air) before injection, which makes it possible to improve combustion efficiency, and lower the flammability (ignition) limit of the mixture. It is therefore possible to further reduce fuel consumption, which also has the effect of reducing gas emissions from combustion (carbon dioxide). Note that such preheating is prohibited in the context of pre-mixing fuel and oxidizer, due to the risk of explosion.
  • said injector comprises a central conduit adapted for the injection of a flow of fuel along the axis of the injector, the flow of oxidizer being intended to flow through said deflection element.
  • Central fuel injection allows optimal mixing of oxidizer (air) and fuel (gas) flows.
  • a central conduit extends at least partly into the injection chamber of the injector.
  • the external surface of the upstream portion of said central conduit is of frustoconical shape, the diameter of said external surface being on this portion decreasing, according to the direction of injection.
  • Such a frustoconical shape makes it possible to avoid separation of the boundary layer of the vortex flow, in order to reduce the risks of the appearance of unwanted turbulence.
  • the outlet of the injector is positioned within the injection chamber, at a distance between 0 and 45 mm from the entry point of the injected flow of oxidant and fuel into the combustion chamber. .
  • the flow losses are too high, due to the intensity of the swirling oxidant flow.
  • this distance tends towards 0 or in other words, when the outlet of the injector approaches the combustion chamber, the central conduit undergoes too much wear due to too close proximity to the combustion chamber. interior of the combustion chamber of the burner, and the heat released therefrom.
  • the distance between the outlet of the injector and the entry point of the injected flow of oxidizer and fuel into the combustion chamber is greater than 5 mm, still preferably greater than 10 mm, still preferably greater than 15 mm, still preferably greater than 20 mm.
  • said injector has a straight section at the outlet relative to the axis of the injector.
  • the entry point of the injected flow of oxidizer and fuel into the combustion chamber is positioned near the center of the wall of the combustion chamber most distal to the axis of the burner.
  • the most distal wall of the burner axis corresponds to the peripheral wall of the combustion chamber.
  • an inlet thus positioned in the combustion chamber of said injected flow of oxidizer and/or fuel is substantially equidistant from the upper and lower walls of the combustion chamber, which allows obtaining a more homogeneous and more stable flame, particularly in view of the gas flows circulating in said combustion chamber.
  • said entry point of said injected flow of oxidizer and fuel into the combustion chamber has a section diameter adapted as a function of the desired flame stabilization distance.
  • the diameter of the outlet section impacts the flow ejection speed.
  • This section the greater the ejection speed, which increases the flame stabilization distance.
  • the flame is then said to be “lifted”. Beyond a certain ejection speed value, the flame is “blown out”. On the contrary, the larger the section, the lower the ejection speed. Below a certain ejection speed value, there is a risk that the flame will stabilize inside the refractory material wall, which should be avoided.
  • said injection system comprises a ring for distributing the flow of oxidizer and/or fuel to said at least one injector, said ring being preferably supplied via a plurality of inlets uniformly distributed around the periphery of said ring , the number of inputs still being preferably equal to the number of injectors.
  • the invention also relates to a process for manufacturing glass fibers characterized in that it uses at least one burner such as that described above.
  • the manufacturing process uses at least one burner whose injection system is adapted to separately supply said injector with fuel on the one hand, and with oxidizer on the other hand, said manufacturing process comprising a separate step of supplying the injector with fuel on the one hand, and with oxidizer on the other hand, as well as a preliminary step of preheating said fuel, preferably by means of gases resulting at least in part from combustion .
  • Preheating the fuel makes it possible on the one hand to improve combustion efficiency, and on the other hand to lower the flammability (ignition) limit of the fuel/oxidant mixture.
  • the use to do this of gases resulting at least in part from combustion, and therefore already heated, makes it possible to reduce the total energy consumption of the fusion and fiberization process.
  • the relative consumption of fuel being reduced, such preheating also makes it possible to reduce polluting emissions.
  • the invention also relates to a glass fiber obtained by implementing such a manufacturing process.
  • the invention also relates to a method of controlling a burner such as that described above, said method comprising a step of controlling the flow rate of the oxidizer and/or fuel flow as a function of a measured/estimated value of temperature and/or pressure, preferably collected inside the combustion chamber.
  • a burner according to the invention makes it possible to vary the temperature and/or pressure parameters over wider ranges than known burners.
  • the invention also relates to a computer program downloadable from a communications network and/or recorded on a recording medium adapted to be read by a computer and/or executed by a processor, comprising an instruction code for implement such a control process.
  • This program may use any programming language, and be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code, such as in partially compiled form.
  • the invention also covers a computer recording medium, on which such a computer program is recorded.
  • the recording medium can be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may include a storage means, such as a read-only memory, a rewritable non-volatile memory, for example a USB key, an SD card, an EEPROM, or even a magnetic recording means, for example a Hard disk.
  • the recording medium may also be an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in executing the method.
  • the recording medium may be a transmissible medium such as an electrical or optical signal, which may be carried via electrical or optical cable, by radio or by other means.
  • the program according to the invention can in particular be downloaded onto a computer network.
  • the invention also relates to a fiberizing installation equipped with one or more burners such as that described above.
  • Figures 2, 3 and 4 are schematic representations of the speed of ejection of the flow of fuel/oxidant mixture (uf) in a conduit on the one hand, and the speed of movement of the flame (Sf) on the other hand ,
  • a burner 1 according to the invention comprises: - a combustion chamber 2 of annular shape, preferably delimited by walls made of refractory material, which opens onto a circular expansion slot 3 whose direction is substantially parallel to the axis of the burner 1, and - an injection system 4 comprising at least one injector 5, preferably of tubular shape, arranged to supply the combustion chamber 2 with fuel and oxidant in the gaseous state,
  • such a burner 1 comprises an injector 5 provided with at least one angular deflection element 51 adapted to generate a flow of oxidizer and/or fuel whose flow is swirling.
  • said angular deflection element 51 is a ring coaxial with the injector 5, comprising at least one lateral conduit 511 adapted to allow the introduction of the swirling flow of oxidizer into the injection chamber 52 of the injector 5 with an angular deflection angle ⁇ , formed by the lateral conduit relative to the normal of the circular section of the ring.
  • this angle of angular deflection ⁇ is 45°.
  • the corresponding swirl number S is 0.67, which makes it possible to optimize the mixing between fuel and oxidizer, and thus to reduce the quantity of fuel to be injected, for the same quantity of oxidizer.
  • this angle can however take other values.
  • said angular deflection element can be a set of deflectors arranged within the injection chamber in order to rotate the flow of oxidizer and/or fuel.
  • said injector 5 comprises a central conduit 53 which extends partly into the injection chamber 52 of the injector and is adapted for the injection of a flow of fuel along the axis X of the injector 5, the oxidant flow being intended to flow through said deflection element 51.
  • the injection system 4 of the burner 1 comprises on the one hand a supply of combustible gas injected via the central conduit 53, for example in the form of methane. It also comprises a separate supply 42 of oxidizer, for example in the form of air, which is introduced into the injector via the lateral conduits 511 of the injection ring 51, in a swirling flow, this is that is to say animated by a spiral movement whose tangential component, also called azimuthal, is non-negligible. The entire mixture is produced in the injection chamber 52, before being ejected into the combustion chamber 2 of the burner 1. As an illustration, the oxidant/fuel flows are represented in fine interrupted lines on the .
  • the preheating of the air is carried out at least in part by heat recovery from the gases resulting from the combustion taking place within the burner, the glass melting furnace (for example via exchangers) , and/or any other heat source generated during the glass wool manufacturing process.
  • the invention is not limited to a particular choice of fuel and/or oxidant.
  • the fuel can be in liquid or gaseous form, and the oxidizer is chosen from an unlimited list, including oxygen and air.
  • said injection system 4 comprises a crown 41 for distributing the flow of oxidizer and/or fuel to said at least one injector 5.
  • This crown 41 is represented in more detail by the , and is advantageously supplied via a plurality of inlets 411 uniformly distributed around the periphery of said ring 41, in order to allow homogeneous distribution of the fuel flow in the injectors.
  • the injector does not include a central conduit, or the latter is closed.
  • the fuel/oxidizer mixture is then produced upstream of the injector, to be introduced there exclusively via the injection ring.
  • the latter is ejected into the combustion chamber 2 of the burner 1, via a straight section outlet.
  • a reduction in pressure occurs on the axis of the injector and induces the creation of an internal recirculation zone.
  • this internal recirculation zone allows the flame to hang near the exit of the injector. Indeed, such a zone is characterized by high levels of negative axial speeds.
  • the attachment of the flame is further favored by the presence of toroidal recirculation zones which return part of the burned gases to the base of the combustion chamber, thus causing significant preheating of the fresh gases.
  • the flame being more stable, it is thus possible to reduce the quantity of fuel (gas) injected into the combustion chamber without risking the flame blowing out, as described in the rest of the text in the commentary to the .
  • the entry point 21 of the injected flow of oxidant and fuel into the combustion chamber 2 is positioned near the center of the wall of the combustion chamber 2 most distal to the axis of the burner, that is to say i.e. the peripheral wall of the combustion chamber 2. This makes it possible to obtain a more homogeneous and more stable flame, particularly in view of the gas flows circulating in the combustion chamber.
  • the entry point 21 also has a section diameter of (15mm, for a fuel and oxidant flow rate of approximately 1200 nm3/h.), in order to help stabilize the flame at the entrance to the bedroom 2.
  • sensors collect pressure and temperature measurements inside the chamber 2, in order to facilitate the control of the burner 1, in particular by variation of the injection rate of the oxidant flow and/or combustible.
  • the fumes resulting from the combustion of the fuel/oxidant mixture are ejected via the expansion slot 3 of the annular burner in a direction substantially parallel to the axis of the burner 1, this in order to stretch and/or thin the glass fibers ejected from the fiberizing plate.
  • part of these fumes is used to preheat the oxidizer (air) before its introduction into the injector of burner 1.
  • the tests are carried out in a combustion laboratory, on a test bench reproducing the conditions of combustion by flame within an annular burner, at atmospheric pressure and ambient temperature.
  • the objective of the tests is to determine the stability limit of the injector. To do this, we fix the gas flow (combustible) and gradually increase the air flow (oxidant) until we obtain an unstable flame. The ratio of the fuel flow to the oxidant flow is then measured.
  • a first series of tests is carried out with an injector according to the invention, with a straight outlet section, as illustrated in Figures 5 to 7, and a second series of tests is carried out with an injector according to the invention, but whose outlet section is beveled, at an angle of 15° relative to the axis X of the injector.
  • the injectors are tested with three formats of injection rings, whose angular deflection angles are respectively 20°, 30° and 45°.
  • the fuel/oxidant ratio presents for an angle of 20° a fuel/oxidizer ratio close to 1.80, and increases as the angle of deflection varies between 20° and 45°, reaching a value of 3.50 at 45°.
  • This beveled profile has the negative effect of opposing the swirling effect induced by the injector, which negatively impacts the performance of the beveled injector when this swirling effect gains power.
  • an injector equipped with a straight profile section has better performance than a beveled injector. Note in particular that the performance of the beveled injector deteriorates significantly at 45°.
  • the first experimental protocol therefore makes it possible to designate the injector with a straight outlet section with a deflection angle of 45°, as the one presenting the best performance in terms of flame stabilization.
  • the value of the fuel gain is estimated as a function of the preheating temperature of the oxidizer (air).
  • the burner is considered as a black box on which a power balance is carried out by application of the first law of thermodynamics (conservation of energy).
  • thermodynamics conservation of energy
  • the total energy stored by the control volume is the sum of the powers received thermally, mechanically and the energy provided by the molecules.
  • Enthalpies are only a function of temperature. By knowing the exit enthalpy of the burned gases, we can therefore deduce the temperature of these gases.
  • the layer of gas adjacent to that which is burning must be brought to a certain temperature such that it can catch fire quickly. If the gas is heated to a high temperature, the amount of heat to be provided by the burning layer is less.
  • the lower flammability limit decreases.
  • the following empirical formula, used by the INRS establishes a safety value of the lower flammability limit L at temperature t, as a function of the limit L0 at temperature T0 reference :

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Abstract

Brûleur (1) adapté pour l'étirage de fibres de verre, comprenant : - une chambre de combustion (2) de forme annulaire, préférentiellement délimitée par des parois en matériau réfractaire, qui débouche sur une fente de détente (3) circulaire dont la direction est sensiblement parallèle à l'axe du brûleur (1), et - un système d'injection (4) comprenant au moins un injecteur (5), préférentiellement de forme tubulaire, agencé pour alimenter la chambre de combustion (2) en combustible et en comburant à l'état gazeux, ledit brûleur (1) étant caractérisé en ce que ledit injecteur (5) comprend au moins un élément de déflexion angulaire (51) adapté pour générer un flux de comburant et/ou combustible dont l'écoulement est tourbillonnaire.

Description

BRULEUR DE FIBRAGE DE LAINE DE VERRE
L'invention concerne un brûleur destiné à être mis en œuvre dans le cadre d’un procédé de formation de fibres de verre, au cours duquel l'étirage des fibres résulte de courants gazeux émis à haute température et à grande vitesse par lesdits brûleurs seuls, ou en combinaison avec d'autres moyens tels que des moyens de centrifugation ou des moyens d'étirage du type filière.
Le procédé de fibrage couramment utilisé pour de la fibre de verre est le procédé dit par centrifugation interne. Il consiste à introduire un filet de la matière étirable à l’état fondu dans un centrifugeur, encore appelé assiette de fibrage, tournant à grande vitesse. Une telle assiette de fibrage peut alternativement être équipée ou non d’un fond et est percée à sa périphérie par un très grand nombre d’orifices par lesquels la matière est projetée sous forme de filaments sous l’effet de la force centrifuge. Au moyen d’un brûleur de forme annulaire, ces filaments sont alors soumis à l’action d’un courant annulaire gazeux d’étirage à température et vitesse élevées (pouvant atteindre 1000°C pour la température, et 250 m/s pour la vitesse, en fonction du produit souhaité) longeant la paroi du centrifugeur qui les amincit et les transforme en fibres. On peut se reporter, pour plus de détails sur des procédés de fibrage utilisant le procédé par centrifugation interne aux demandes de brevet WO99/65835 et WO97/15532.
Un tel procédé de fibrage de la laine de verre est à distinguer de celui couramment utilisé pour la fibre de roche, dit procédé de fibrage par centrifugation externe. Pour ce dernier, la matière à fibrer est déversée à l’état fondu sur la bande périphérique de roues de centrifugation mues en rotation, est accélérée par ces roues, s’en détache et est transformée pour partie, en fibres sous l’effet de la force centrifuge, un courant gazeux étant émis tangentiellement à la bande périphérique des roues de manière à prendre en charge la matière fibrée en la séparant de la matière infibrée et à l'acheminer vers un organe récepteur. On peut par exemple se reporter, pour le fibrage par centrifugation externe à la demande de brevet EP195725.
Concernant le fibrage de laine de verre, le brevet EP0189354B1 décrit un brûleur adapté pour l’étirage de fibres de verre, qui comprend une chambre de combustion de forme annulaire, délimitée par des parois en matériau réfractaire, qui débouche sur une fente de détente circulaire dont la direction est sensiblement parallèle à l’axe du brûleur.
Il est à noter que les brûleurs du type de celui décrit dans EP0189354B1, également illustré par la , comprennent un injecteur débouchant au niveau de la partie périphérique-inférieure de la chambre de combustion, afin d’y injecter un mélange comburant et de gaz combustible. Dans le contexte de ces brûleurs, le mélange entre le combustible et le comburant est donc réalisé avant leur introduction dans la chambre de combustion. Un tel choix technologique trouve son origine dans les mécanismes physiques intervenant dans la stabilisation de la flamme d’un brûleur. Tel qu’illustré par les Figures 2, 3 et 4, la stabilité de la flamme dépend principalement des deux vitesses opposées que sont la vitesse de d’éjection du flux de mélange combustible/comburant (uf) d’une part, et la vitesse de déplacement de la flamme (Sf) d’autre part. Si ces deux vitesses sont équilibrées, tel qu’illustré par la , la flamme est stabilisée. Dans un tel état, la flamme peut alternativement rester « accrochée » à l’injecteur, ou être maintenue à une distance constante par rapport à ce dernier. En revanche, si la vitesse de la flamme (Sf) est plus importante que la vitesse du mélange combustible/comburant (uf), tel qu’illustré par la , la flamme se déplace (Sd) vers la source de l’injecteur, avec les risques d’explosion, ou du moins de dégradation de l’injecteur, inhérents à une telle situation. On parle alors de « retour de flamme ». A contrario, si la vitesse de la flamme (Sf) est inférieure à la vitesse du mélange combustible/comburant (uf), tel qu’illustré par la , la flamme s’éloigne (Sd) de l’injecteur et risque alors de s’éteindre ou en d’autres termes, d’être « soufflée ».
Dans ce contexte, il a été observé que lorsque le rapport effectif de la quantité de combustible sur la quantité de comburant diminue, par réduction de la concentration en combustible, la vitesse de combustion laminaire en périphérie de la flamme diminue elle aussi. La probabilité d’avoir des instabilités de combustion, et donc une instabilité de la flamme, est par conséquent plus importante. En d’autres termes, la flamme est plus sensible aux fluctuations en régime de combustion dit « pauvre », dans lequel le rapport de la quantité de combustible sur la quantité de comburant est faible, par comparaison avec le rapport stœchiométrique connu.
Or, il existe un besoin de stabilisation de la flamme d’un brûleur, en particulier en régime pauvre, afin notamment de limiter la consommation en combustible / réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Un Homme du métier, confronté à ce problème, aurait été incité à développer une solution technique déjà connue et dite de « bluff-body », qui est notamment décrite dans le brevet EP1474636B1. Selon ce concept, la chambre de combustion étant munie d'au moins un élément stabilisateur de flamme situé à proximité de la paroi interne de la chambre de combustion et de l'orifice de détente, cet élément stabilisateur de flamme constituant une zone de recirculation dans laquelle peut être maintenue au moins une partie de la combustion entre comburant(s) et combustible(s), afin d’y stabiliser la flamme du brûleur.
De récentes observations menées en interne par les inventeurs ont cependant permis de mettre en évidence les limites d’une telle solution « bluff-body ». Ainsi, certaines instabilités de flamme demeurent et sont notamment liées à la très grande vitesse des fluides en sortie de l’élément stabilisateur, qui a tendance à souffler la flamme en dépit des compensations liées aux zones de recirculation situées en aval de l’élément stabilisateur. Les éléments stabilisateurs doivent de plus être formés à l’intérieur de la chambre de combustion, ce qui implique nécessairement des contraintes techniques supplémentaires de production. Enfin, ces éléments stabilisateurs sont très sollicités thermiquement, et possèdent donc une durabilité limitée. Leur remplacement s’avère en outre être techniquement complexe et coûteux.
Il existe donc un besoin supplémentaire d’accroître la durabilité du brûleur et la stabilité de la flamme.
L’invention permet de répondre à ce besoin, et concerne un brûleur adapté pour l’étirage de fibres de verre, comprenant :
- une chambre de combustion de forme annulaire, préférentiellement délimitée par des parois en matériau réfractaire, qui débouche sur une fente de détente circulaire dont la direction est sensiblement parallèle à l’axe du brûleur, et
- un système d’injection comprenant au moins un injecteur, préférentiellement de forme tubulaire, agencé pour alimenter la chambre de combustion en combustible et en comburant à l’état gazeux,
ledit brûleur étant caractérisé en ce que ledit injecteur comprend au moins un élément de déflexion angulaire adapté pour générer un flux de comburant et/ou combustible dont l’écoulement est tourbillonnaire.
Dans le présent texte, est dit « tubulaire » un injecteur composé d’un ou d’une succession de cylindres creux coaxiaux ayant pour cavité centrale une chambre d’injection débouchant sur la chambre de combustion. La déflexion angulaire désigne la modification par l’injecteur de la trajectoire du flux de comburant et/ou combustible afin de rendre son écoulement tourbillonnaire. Le combustible peut se présenter sous forme liquide ou gazeuse. Le comburant est choisi parmi une liste non limitée, comprenant l’air. Un écoulement dit « tourbillonnaire » qualifie un flux animé d’un mouvement en spirale dont la composante tangentielle, dite aussi azimutale, est non négligeable, de sorte qu’une diminution de la pression survient sur l’axe de l’injecteur et induit la création d’une zone de recirculation interne. Tel qu’illustré par la , cette zone de recirculation interne permet à la flamme de s’accrocher en proche sortie de l’injecteur. En effet, une telle zone se caractérise par des niveaux de vitesses axiales négatives élevés. L’accrochage de la flamme est de plus favorisé par la présence des zones de recirculations toroïdales qui ramènent une partie des gaz brûlés à la base de la chambre de combustion entrainant ainsi un préchauffage significatif des gaz frais.
La flamme étant plus stable, il est ainsi possible de réduire la quantité de combustible (gaz) injecté dans la chambre de combustion sans pour autant risquer un soufflage de la flamme. Un brûleur selon l’invention permet donc d’améliorer de manière significative l’efficacité de la combustion, en particulier en régime pauvre, dans lequel le ratio de la quantité de combustible (gaz) sur la quantité de comburant (air) est faible. A puissance de chauffe égale, la consommation de combustible et les émissions de CO2 qui en découlent sont donc réduites. En outre, l’agrandissement de la plage de fonctionnement du brûleur permet d’obtenir une meilleure flexibilité sur les conditions opératoires de fibrage. Il est ainsi possible de faire varier le diamètre et/ou la longueur des fibres de verre.
Enfin, l’accrochage amélioré de la flamme n’étant dû qu’à des mouvements de recirculation aérodynamiques générés à proximité de l’injecteur, un brûleur selon l’invention présente une durabilité améliorée dans le temps par rapport à un brûleur de type « Bluff-body », et est de plus compatible avec l’injection d’un pré-mélange de combustible et carburant, contrairement à un brûleur de type « Bluff-body ».
Selon un mode de réalisation particulier, ledit élément de déflexion angulaire présente un nombre de tourbillon S qui satisfait l’équation S = 2/3 tan Φ, avec Φ l’angle de déflexion angulaire du flux de comburant et/ou combustible après passage dans l’injecteur,
ledit nombre de tourbillon S étant compris entre 0,10 et 2,00, préférentiellement entre 0,25 et 1,70, encore préférentiellement entre 0,35 et 1,40,, encore préférentiellement entre 0,45 et 1,10, encore préférentiellement entre 0,55 et 0,90, encore préférentiellement entre 0,65 et 0,70.
L’intensité du mouvement rotatif de l’écoulement est caractérisée par la valeur du nombre de tourbillon S en sortie d’injecteur. Ce nombre de tourbillon S, « swirl number » en langue anglaise, exprime de manière générale le rapport entre les flux de quantités de mouvement tangentiels et axiaux et est défini par la formule suivante :
où U et W sont respectivement les composantes axiales et tangentielles de la vitesse moyenne du flux, et Re est le rayon.
Dans le contexte de l’invention, ce nombre de tourbillon S est approximé par la formule S = 2/3 tan Φ, avec Φ l’angle de déflexion angulaire du flux de comburant et/ou combustible après passage dans l’injecteur.
L’augmentation de la valeur du nombre de tourbillon S réduit la hauteur de la flamme, mais tend à accroître l’ouverture de la flamme. De manière avantageuse, l’adoption d’une large ouverture de flamme permet de limiter le nombre d’injecteurs agencés sur le pourtour de la chambre de combustion, tout en garantissant un chauffage homogène de cette dernière.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit élément de déflexion angulaire est une bague coaxiale à l’injecteur, préférentiellement amovible, comprenant au moins un conduit latéral adapté pour permettre l’introduction du flux tourbillonnant de comburant et/ou combustible dans la chambre d’injection de l’injecteur avec ledit angle de déflexion angulaire Φ, dont la valeur est préférentiellement comprise entre 10° et 80°, encore préférentiellement entre 20° et 70°, encore préférentiellement entre 30° et 60°, encore préférentiellement entre 40° et 50°.
Selon ce mode de réalisation particulier, l’angle formé par le conduit latéral par rapport à la normale de la section circulaire de la bague correspond à l’angle Φ de déflexion angulaire du flux de comburant et/ou combustible entrant dans le calcul du nombre de tourbillon S.
Lorsque cet angle Φ tend vers les valeurs de 0° et 90°, l’effet de tourbillon disparaît, la vitesse de l’écoulement tend à être exclusivement axiale, impactant ainsi le nombre de tourbillon S, et donc la structure de la flamme. Par opposition, lorsque la valeur de cet angle Φ tend vers 45°, l’effet de tourbillon s’accroit pour permettre un mélange optimal du combustible et du comburant. A quantité égale de comburant, il est ainsi possible de réduire la quantité de combustible injectée.
Le caractère amovible de la bague de déflexion angulaire permet de remplacer plus aisément et à moindre coût cette dernière, pour des raisons de maintenance d’adaptation dudit injecteur à une nouvelle plage de fonctionnement opérationnel.
Selon un mode de réalisation alternatif, ledit élément de déflexion angulaire peut être un ensemble de déflecteurs agencés au sein de la chambre d’injection afin de mettre en rotation le flux de comburant et/ou combustible.
Selon un mode de réalisation particulier, le système d’injection est adapté pour alimenter séparément ledit injecteur en combustible d’une part, et en comburant d’autre part.
Les risques d’instabilité de la flamme décrits précédemment tendent à détourner une personne du Métier de la mise en œuvre sur les injecteurs actuels d’une alimentation séparée en combustible et comburant. En effet, dans le contexte des injecteurs actuels, un mélange du combustible et du comburant qui n’interviendrait qu’au niveau de la chambre d’injection ne serait que partiel, et ne garantirait pas une efficacité de combustion et donc une stabilité de la flamme satisfaisantes. Or, il a été observé qu’un injecteur selon l’invention permet, en comparaison avec les injecteurs traditionnels, un mélange bien plus rapide et efficace du combustible et du comburant, grâce aux niveaux élevés de turbulence. La proportion de combustible nécessaire à l’allumage et à la combustion étant réduite, il est donc possible de réduire plus encore la concentration en combustible (gaz), et d’injecter ce dernier séparément du comburant (air).
Une telle injection séparée permet de se prémunir des risques de retour de flamme, en l’absence de mélange comburant/combustible en amont de l’injecteur, et offre la possibilité de préchauffer le comburant (air) avant injection, ce qui permet d’améliorer l’efficacité de la combustion, et d’abaisser la limite d’inflammabilité (d’allumage) du mélange. Il est donc possible de réduire plus encore la consommation en combustible, ce qui a pour conséquence de réduire également les émissions de gazs issus de la combustion (dioxyde de carbone). A noter qu’un tel préchauffage est prohibé dans le contexte d’un pré-mélange de combustible et comburant, en raison des risques d’explosion.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit injecteur comprend un conduit central adapté pour l’injection d’un flux de combustible selon l’axe de l’injecteur, le flux de comburant étant destiné à s’écouler au travers dudit élément de déflection.
L’injection centrale du combustible permet un mélange optimal des flux de comburant (air) et de combustible (gaz). Selon un mode de réalisation particulier, un tel conduit central s’étend au moins en partie dans la chambre d’injection de l’injecteur.
Selon un mode de réalisation particulier, la surface externe de la portion en amont dudit conduit central est de forme tronconique, le diamètre de ladite surface externe étant sur cette portion décroissant, selon la direction d’injection.
Une telle forme tronconique permet d’éviter un décollement de la couche limite de l’écoulement tourbillonnaire, afin de réduire les risques d’apparition de turbulences non souhaitées.
Selon un mode de réalisation particulier, la sortie de l’injecteur est positionnée au sein de la chambre d’injection, à une distance comprise entre 0 et 45 mm du point d’entrée du flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion.
Au-dessus de cette plage de valeurs, les pertes d’écoulement sont trop fortes, du fait de l’intensité du flux de comburant tourbillonnant. En revanche, lorsque cette distance tend vers 0 ou en d’autres termes, que la sortie de l’injecteur se rapproche de la chambre de combustion, le conduit central subit une usure trop importante du fait d’une proximité trop importante avec l’intérieur de la chambre de combustion du brûleur, et de la chaleur qui s’en dégage. Aussi, de manière préférentielle, la distance entre la sortie de l’injecteur et le point d’entrée du flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion est supérieure à 5 mm, encore préférentiellement supérieure à 10 mm, encore préférentiellement supérieure à 15 mm, encore préférentiellement supérieure à 20 mm.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit injecteur présente en sortie une section droite par rapport à l’axe de l’injecteur.
Les inventeurs ont constaté que la découpe en biseau de l’injecteur, au niveau de la sortie de gaz, tel que pratiquée dans l’état de la technique, tend à s’opposer à la circulation en tourbillon du mélange comburant/combustible et réduit donc les effets techniques bénéfiques qui y sont liés. A contrario, la découpe de la pointe de l’injecteur selon une section droite par rapport à l’axe du brûleur, permet l’obtention d’une flamme plus stable qui profite au mieux des effets avantages liés à l’injection tourbillonnaire.
Selon un mode de réalisation particulier, le point d’entrée du flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion est positionné à proximité du centre de la paroi de la chambre de combustion la plus distale de l’axe du brûleur.
La paroi la plus distale de l’axe du brûleur correspond à la paroi périphérique de la chambre de combustion. Au vu de la géométrie usuelle d’une chambre de combustion annulaire, une entrée ainsi positionnée dans la chambre de combustion dudit flux injecté de comburant et/ou combustible est sensiblement à équidistance des parois supérieures et inférieures de la chambre de combustion, ce qui permet l’obtention d’une flamme plus homogène et plus stable, au vu notamment des flux gazeux circulant dans ladite chambre de combustion.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit point d’entrée dudit flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion présente un diamètre de section adapté en fonction de la distance souhaitée de stabilisation de la flamme.
Le diamètre de la section de sortie impacte la vitesse d’éjection du flux. Plus cette section est petite, et plus la vitesse d’éjection est grande, ce qui accroît la distance de stabilisation de la flamme. La flamme est alors dite « liftée ». Au-delà d’une certaine valeur de vitesse d’éjection, la flamme est « soufflée ». Au contraire, plus la section est grande, et plus la vitesse d’éjection est faible. En-dessous d’une certaine valeur de vitesse d’éjection, il y a un risque que la flamme se stabilise à l’intérieur de la paroi en matériau réfractaire, ce qui est à éviter.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit système d’injection comprend une couronne de distribution du flux de comburant et/ou combustible audit au moins un injecteur, ladite couronne étant préférentiellement alimentée via une pluralité d’entrées uniformément réparties sur le pourtour de ladite couronne, le nombre d’entrées étant encore préférentiellement égale au nombre d’injecteurs.
La mise en œuvre d’une telle couronne de distribution permet une distribution homogène du flux gazeux dans les injecteurs. L’accroissement du nombre d’entrées sur le pourtour de la couronne permet de favoriser cette distribution homogène.
L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication de fibres de verre caractérisé en ce qu’il met en œuvre au moins un brûleur tel que celui décrit ci-dessus.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication met en œuvre au moins un brûleur dont le système d’injection est adapté pour alimenter séparément ledit injecteur en combustible d’une part, et en comburant d’autre part, ledit procédé de fabrication comprenant une étape d’alimentation séparée de l’injecteur en combustible d’une part, et en comburant d’autre part, ainsi qu’une étape préalable de préchauffage dudit combustible, préférentiellement au moyen de gazs issus au moins en partie de la combustion.
Le préchauffage du combustible permet d’une part d’améliorer l’efficacité de la combustion, et d’autre part d’abaisser la limite d’inflammabilité (d’allumage) du mélange combustible/comburant. L’utilisation pour ce faire de gazs issus au moins en partie de la combustion, et donc déjà chauffés, permet de diminuer la consommation énergétique totale du procédé de fusion et de fibrage. La consommation relative de combustible étant réduite, un tel préchauffage permet de plus de réduire les émissions polluantes.
L’invention se rapporte également à une fibre de verre obtenue par mise en œuvre d’un tel procédé de fabrication.
L’invention se rapporte également à un procédé de contrôle d’un brûleur tel que celui décrit ci-dessus, ledit procédé comprenant une étape de contrôle du débit du flux de comburant et/ou combustible en fonction d’une valeur mesurée/estimée de température et/ou de pression, préférentiellement collectée à l’intérieur de la chambre de combustion.
Un brûleur selon l’invention permet de faire varier les paramètres de température et/ou de pression sur des plages plus étendues que les brûleurs connus.
L’invention se rapporte également à un programme d’ordinateurs téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support d’enregistrement adapté pour être lu par un ordinateur et/ou exécuté par un processeur, comprenant un code d’instructions pour mettre en œuvre un tel procédé de contrôle.
Ce programme peut utiliser n’importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée.
L’invention couvre également un support d’enregistrement informatique, sur lequel est enregistré un tel programme d’ordinateurs. Le support d’enregistrement peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une mémoire morte, une mémoire non volatile réinscriptible, par exemple une clé USB, une carte SD, une EEPROM, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple un disque dur. Le support d’enregistrement peut aussi être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé. Le support d’enregistrement peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau informatique.
L’invention se rapporte également à une installation de fibrage équipée d’un ou plusieurs brûleurs tel que celui décrit ci-dessus.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, pour lesquelles :
la est une coupe transversale schématique d’un brûleur connu de l’état de la technique,
les figures 2, 3 et 4 sont des représentations schématiques de la vitesse d’éjection du flux de mélange combustible/comburant (uf) dans un conduit d’une part, et la vitesse de déplacement de la flamme (Sf) d’autre part,
la est une coupe transversale schématique d’un brûleur selon l’invention,
la est une vue en perspective d’un injecteur selon l’invention,
la est une coupe transversale schématique d’un injecteur selon l’invention sur laquelle les flux de comburant/combustibles sont représentées en lignes fines interrompues,
la est vue en perspective de trois bagues d’injection dont les angles de déflection angulaires sont respectivement de 45°, 30° et 20°,
la est une vue en perspective d’une couronne de distribution du flux de comburant/combustible,
la est une représentation graphique de la valeur du ratio d’équivalence du combustible sur le comburant, en fonction des variations de l’angle de déflection angulaire et de la géométrie de la section de sortie de l’injecteur,
la est une représentation graphique d’une estimation de la valeur du gain en combustible en fonction de la température de préchauffe du comburant,
la est une représentation graphique d’une estimation de la réduction des émissions en gaz polluant en fonction de la température de préchauffe du comburant,
la est une représentation graphique de la variation de la limite basse d’inflammabilité du combustible en fonction de la température de préchauffe du comburant,
Les différents éléments illustrés par les figures ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle réelle, l’accent étant davantage porté sur la représentation du fonctionnement général de l’invention. Sur les différentes figures, sauf indication contraire, les numéros de référence qui sont identiques représentent des éléments similaires ou identiques.
Plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention sont présentés par la suite. Il est entendu que la présente invention n’est nullement limitée par ces modes de réalisation particuliers et que d’autres modes de réalisation peuvent parfaitement être mis en œuvre.
Selon un mode de réalisation particulier, et tel qu’illustré par la , un brûleur 1 selon l’invention comprend :
- une chambre de combustion 2 de forme annulaire, préférentiellement délimitée par des parois en matériau réfractaire, qui débouche sur une fente de détente 3 circulaire dont la direction est sensiblement parallèle à l’axe du brûleur 1, et
- un système d’injection 4 comprenant au moins un injecteur 5, préférentiellement de forme tubulaire, agencé pour alimenter la chambre de combustion 2 en combustible et en comburant à l’état gazeux,
En particulier, un tel brûleur 1 selon l’invention comprend un injecteur 5 doté d’au moins un élément de déflexion angulaire 51 adapté pour générer un flux de comburant et/ou combustible dont l’écoulement est tourbillonnaire.
Selon un mode de réalisation particulier, et tel qu’illustré plus en détail par les figures 6 et 7, ledit élément de déflexion angulaire 51 est une bague coaxiale à l’injecteur 5, comprenant au moins un conduit latéral 511 adapté pour permettre l’introduction du flux tourbillonnant de comburant dans la chambre d’injection 52 de l’injecteur 5 avec un angle de déflexion angulaire Φ, formé par le conduit latéral par rapport à la normale de la section circulaire de la bague.
Selon ce mode de réalisation particulier, cet angle de déflexion angulaire Φ est de 45°. Le nombre de tourbillon S correspondant est de 0,67, ce qui permet d’optimiser le mélange entre combustible et comburant, et ainsi de réduire la quantité de combustible à injecter, pour une même quantité de comburant.
Selon des modes de réalisation alternatifs, cet angle peut cependant prendre d’autres valeurs. A titre illustratif et non limitatif, la est vue en perspective de trois bagues d’injection dont les angles de déflection angulaires sont respectivement de 45°, 30° et 20°.
Selon d’autres modes de réalisation de l’invention non représentés, ledit élément de déflexion angulaire peut être un ensemble de déflecteurs agencés au sein de la chambre d’injection afin de mettre en rotation le flux de comburant et/ou combustible.
Selon le mode de réalisation particulier illustré aux figures 6 et 7, ledit injecteur 5 comprend un conduit central 53 qui s’étend en partie dans la chambre d’injection 52 de l’injecteur et est adapté pour l’injection d’un flux de combustible selon l’axe X de l’injecteur 5, le flux de comburant étant destiné à s’écouler au travers dudit élément de déflection 51.
Selon un mode de réalisation illustré par la , le système d’injection 4 du brûleur 1 comprend d’une part une alimentation en gaz combustible injecté via le conduit central 53, par exemple sous la forme de méthane. Il comprend d’autre part une alimentation distincte 42 en comburant, par exemple sous la forme d’air, qui est introduit dans l’injecteur via les conduits latéraux 511 de la bague d’injection 51, selon un écoulement tourbillonnaire, c’est-à-dire animé d’un mouvement en spirale dont la composante tangentielle, dite aussi azimutale, est non négligeable. L’ensemble du mélange est réalisé dans la chambre d’injection 52, avant d’être éjecté dans la chambre de combustion 2 du brûleur 1. A titre illustratif, les flux de comburant/combustibles sont représentés en lignes fines interrompues sur la .
Une telle alimentation séparée en combustible d’une part, et en comburant d’autre part, permet de se prémunir des risques de retour de flamme, en l’absence de mélange comburant/combustible en amont de l’injecteur, et offre la possibilité de préchauffer le comburant (air) avant injection, ce qui permet d’améliorer l’efficacité de la combustion, de réduire les émissions polluantes et d’abaisser la limite d’inflammabilité (d’allumage) du mélange, tel que décrit dans la suite du texte en commentaire des figures 11, 12 et 13.
Selon un mode de réalisation particulier, le préchauffage de l’air est réalisé au moins en partie par récupération de chaleur depuis les gaz issus de la combustion ayant lieu au sein du brûleur, du four de fusion du verre (par exemple via des échangeurs), et/ou de toute autre source de chaleur générée au cours du procédé de fabrication de laine de verre.
A noter que l’invention ne se limite pas à un choix particulier de combustible et/ou comburant. Ainsi, le combustible peut se présenter sous forme liquide ou gazeuse, et le comburant est choisi parmi une liste non limitée, comprenant le dioxygène, et l’air.
Tel qu’illustré par la , ledit système d’injection 4 comprend une couronne 41 de distribution du flux de comburant et/ou combustible audit au moins un injecteur 5. Cette couronne 41 est représentée plus en détail par la , et est avantageusement alimentée via une pluralité d’entrées 411 uniformément réparties sur le pourtour de ladite couronne 41, afin de permettre une distribution homogène du flux de combustible dans les injecteurs.
Selon un mode de réalisation alternatif de l’invention, non représenté, l’injecteur ne comprend pas de conduit central, ou ce dernier est fermé. Le mélange combustible/comburant est alors réalisé en amont de l’injecteur, pour y être introduit via la bague d’injection exclusivement.
Une fois le mélange combustible/comburant effectué, ce dernier est éjecté dans la chambre de combustion 2 du brûleur 1, via une sortie en section droite. Compte tenu du caractère tourbillonnaire du flux injecté dans la chambre de combustion 2, une diminution de la pression survient sur l’axe de l’injecteur et induit la création d’une zone de recirculation interne. Tel qu’illustré par la , cette zone de recirculation interne permet à la flamme de s’accrocher en proche sortie de l’injecteur. En effet, une telle zone se caractérise par des niveaux de vitesses axiales négatives élevés. L’accrochage de la flamme est de plus favorisé par la présence des zones de recirculations toroïdales qui ramènent une partie des gaz brûlés à la base de la chambre de combustion entrainant ainsi un préchauffage significatif des gaz frais. La flamme étant plus stable, il est ainsi possible de réduire la quantité de combustible (gaz) injecté dans la chambre de combustion sans pour autant risquer un soufflage de la flamme, tel que décrit dans la suite du texte en commentaire de la .
Tel qu’illustré par la , le point d’entrée 21 du flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion 2 est positionné à proximité du centre de la paroi de la chambre de combustion 2 la plus distale de l’axe du brûleur, c’est-à-dire la paroi périphérique de la chambre de combustion 2. Ceci permet l’obtention d’une flamme plus homogène et plus stable, au vu notamment des flux gazeux circulant dans la chambre de combustion. Le point d’entrée 21 présente par ailleurs un diamètre de section de (15mm, pour un débit de combustible et comburant d’environ 1200 nm³/h.), afin d’aider à la stabilisation de la flamme à l’entrée de la chambre 2.
Au cours de la combustion, des capteurs collectent à l’intérieur de la chambre 2 des mesures de pression et de température, afin de faciliter le contrôle du brûleur 1, en particulier par variation du débit d’injection du flux de comburant et/ou combustible.
De manière classique, les fumées issues de la combustion du mélange combustible/comburant sont éjectées via la fente 3 de détente du brûleur annulaire selon une direction sensiblement parallèle à l’axe du brûleur 1, ceci afin d’étirer et/ou d’amincir les fibres de verre éjectées de l’assiette de fibrage.
Selon un mode de réalisation, une partie de ces fumées est utilisé pour le préchauffage du comburant (air) avant son introduction dans l’injecteur du brûleur 1.
[Math. 2]
Avec Qv : débit volumique
m_ : débit massique
(m_Combustible / m_Comburant)théorique = 0,1
Les tests sont effectués en laboratoire de combustion, sur un banc d’essai reproduisant les conditions d’une combustion par flamme au sein d’un brûleur annulaire, à pression atmosphérique et température ambiante. L’objectif des tests est de déterminer la limite de stabilité de l’injecteur. Pour ce faire, on fixe le débit de gaz (combustible) et on augmente progressivement le débit d’air (comburant) jusqu’à obtenir une flamme instable. Le rapport du débit de combustible sur le débit de comburant est alors mesuré.
Afin d’évaluer l’impact de la géométrie de la section de sortie de l’injecteur, une première série de tests est réalisée avec un injecteur selon l’invention, à section de sortie droite, tel qu’illustré sur les figures 5 à 7, et une deuxième série de tests est réalisée avec un injecteur selon l’invention, mais dont la section de sortie est biseautée, selon un angle de 15° par rapport à l’axe X de l’injecteur. Pour chacune de ces séries, les injecteurs sont testés avec trois formats de bagues d’injection, dont les angles de déflection angulaires sont respectivement de 20°, 30° et 45°.
Ces tests montrent que dans le cadre d’un injecteur dont le profil présente une section droite, le ratio combustible/comburant présente pour un angle de 20° un ratio combustible/comburant proche de 3,00, et décroît au fur et à mesure que l’angle de déflexion varie entre 20° et 45°, pour atteindre un minimum de 1,3 à 45°. C’est donc à cette valeur que la flamme est la plus stable, ce qui permet de réduire la quantité de combustible (gaz) injectée dans la chambre de combustion sans pour autant risquer un soufflage ou un retour de la flamme. Un brûleur selon l’invention permet donc d’améliorer de manière significative l’efficacité de la combustion, en particulier en régime pauvre, dans lequel le ratio de la quantité de combustible (gaz) sur la quantité de comburant (air) est faible. A puissance de chauffe égale, la consommation de combustible et les émissions de CO2 qui en découlent sont donc réduites.
Dans le contexte d’’injecteurs dont la section de sortie est biseautée, le ratio combustible/comburant présente pour un angle de 20° un ratio combustible/comburant proche de 1,80, et croît au fur et à mesure que l’angle de déflexion varie entre 20° et 45°, pour atteindre une valeur de 3,50 à 45°.
Il a été observé que pour une valeur d’angle de 20°, les performances de l’injecteur biseauté sont meilleures que celles de l’injecteur à section de profil droite. Ceci s’explique par le fait que, pour cette valeur d’angle de 20°, l’effet tourbillonnaire de l’écoulement, et donc le mélange du comburant et du combustible sont faibles, ce qui limite les performances de l’injecteur à section droite. Le profil en biseau génère quant à lui un gradient de vitesse à son extrémité, qui semble favoriser le mélange du comburant et du combustible, d’où l’obtention de meilleures performances pour des valeurs d’angle faibles.
Ce profil biseauté a cependant pour effet négatif de s’opposer à l’effet tourbillonnaire induit par l’injecteur, ce qui impacte négativement les performances de l’injecteur biseauté lorsque cet effet tourbillonnaire gagne en puissance.
Par conséquent, pour des valeurs d’angle de 30° et 40°, un injecteur équipé d’une section de profil droite présente de meilleures performances qu’un injecteur biseauté. A noter en particulier que les performances de l’injecteur biseauté se détériorent significativement à 45°.
Le premier protocole expérimental permet donc de désigner l’injecteur à section de sortie droite avec un angle de déflection de 45°, comme celui présentant les meilleures performances en terme de stabilisation de flamme.
Selon un deuxième protocole expérimental, dont les résultats sont illustrés par la , la valeur du gain en combustible (gaz naturel) est estimée en fonction de la température de préchauffe du comburant (air).
Selon ce protocole, le brûleur est considéré comme une boîte noire sur laquelle est effectué un bilan de puissance par application du premier principe de la thermodynamique (conservation de l'énergie). Autrement dit, la combustion est étudiée de manière globale, en partant des réactifs, pour arriver aux produits sans prendre en compte le mécanisme de réaction.
Conformément au premier principe de la thermodynamique, l’énergie totale stockée par le volume de contrôle est la somme des puissances reçues thermiquement, mécaniquement et de l’énergie apportée par les molécules.
Dans le contexte de l’invention, les hypothèses suivantes sont prises en compte :
- L’énergie ne s’accumule pas dans la chambre de combustion
- Il n’y a aucune pièce mécanique en mouvement qui fournit un travail,
- Les énergies cinétique et potentielle seront négligées devant l’énergie interne des gaz.
Les pertes de chaleur à travers les parois sont estimées à 10% de l’énergie libérée lors de la réaction soit 10% du PCS (pouvoir calorifique supérieur)
Avec hs m et he m les enthalpies molaires de sortie et d’entrée respectivement.
Les enthalpies sont uniquement fonction de la température. En connaissant l'enthalpie de sortie des gaz brûlés, on peut donc déduire la température de ces gazs.
On calcule l'enthalpie des produits grâce à cette équation afin de déterminer pour quelle température les produits de la réaction sont à cette même enthalpie.
Après avoir fixé la valeur d’une température finale, on détermine alors le gain en combustion par rapport au préchauffage des réactifs.
Les résultats obtenus mettent en évidence une diminution du ratio combustible/comburant, et donc une amélioration de l’efficacité énergétique du brûleur, au fur et à mesure que la température de préchauffe augmente.
Selon un troisième protocole expérimental, dont les résultats sont illustrés par la , la réduction des émissions en gaz polluant (dioxyde de carbone) est estimée en fonction de la température de préchauffe du comburant (air).
A partir de l’équation de la réaction chimique de combustion du méthane avec de l’air, dans la configuration combustion parfaite nous pouvons écrire : CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2.
Cela implique que pour la combustion d’un mètre cube de méthane, 1 m³ de dioxyde de carbone sera dégagé.
Les résultats obtenus mettent en évidence une réduction des émissions en gaz polluant (dioxyde de carbone) au fur et à mesure que la température de préchauffe augmente.
La est une représentation graphique de la variation de la limite basse d’inflammabilité du combustible (gaz naturel) en fonction de la température de préchauffe du comburant (air).
Pour que la flamme se propage, la couche de gaz voisine de celle qui brûle doit être portée à une certaine température telle qu’elle puisse prendre feu rapidement. Si le gaz est chauffé à une température élevée, la quantité de chaleur à fournir par la couche en feu est moindre. La limite basse d’inflammabilité diminue. L’expérience montre qu’il existe une relation linéaire entre la limite d’inflammabilité et la température initiale. La formule empirique suivante, utilisée par l’INRS (Institut National de Recherche et de Sécurité), établit une valeur de sécurité de la limite d’inférieure d’inflammabilité L à la température t, en fonction de la limite L0 à la température T0 de référence :
Les résultats obtenus mettent en évidence une diminution de la limite basse d’inflammabilité lorsque la température de préchauffe augmente.
Les valeurs décrites dans le présent texte ne doivent pas être comprises comme strictement limitées aux valeurs numériques citées. Au lieu de cela, sauf indication contraire, chaque valeur désigne à la fois la valeur exactement citée et une gamme de valeurs fonctionnellement équivalentes englobant cette valeur.
Bien que des modes de réalisation particuliers de la présente invention aient été illustrés et décrits, il est évident que divers autres changements et modifications peuvent être réalisés dans l’esprit et la portée de l'invention. Le présent texte est donc destiné à couvrir, dans le champ de protection défini par les revendications annexées, toutes les modifications entrant dans le cadre de la présente invention.

Claims (17)

1. Brûleur (1) adapté pour l’étirage de fibres de verre, comprenant :
- une chambre de combustion (2) de forme annulaire, préférentiellement délimitée par des parois en matériau réfractaire, qui débouche sur une fente de détente (3) circulaire dont la direction est sensiblement parallèle à l’axe du brûleur (1), et
- un système d’injection (4) comprenant au moins un injecteur (5), préférentiellement de forme tubulaire, agencé pour alimenter la chambre de combustion (2) en combustible et en comburant à l’état gazeux,
ledit brûleur (1) étant caractérisé en ce que ledit injecteur (5) comprend au moins un élément de déflexion angulaire (51) adapté pour générer un flux de comburant et/ou combustible dont l’écoulement est tourbillonnaire.
2. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de déflexion angulaire (51) présente un nombre de tourbillon S qui satisfait l’équation S = 2/3 tan Φ, avec Φ l’angle de déflexion angulaire du flux de comburant et/ou combustible après passage dans l’injecteur, ledit nombre de tourbillon S étant compris entre 0,10 et 2,00, préférentiellement entre 0,25 et 1,70, encore préférentiellement entre 0,35 et 1,40,, encore préférentiellement entre 0,45 et 1,10, encore préférentiellement entre 0,55 et 0,90, encore préférentiellement entre 0,65 et 0,70.
3. Brûleur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de déflexion angulaire (51) est une bague coaxiale à l’injecteur (5), préférentiellement amovible, comprenant au moins un conduit latéral (511) adapté pour permettre l’introduction du flux tourbillonnant de comburant et/ou combustible dans la chambre d’injection (52) de l’injecteur (5) avec ledit angle de déflexion angulaire Φ, dont la valeur est préférentiellement comprise entre 10° et 80°, encore préférentiellement entre 20° et 70°, encore préférentiellement entre 30° et 60°, encore préférentiellement entre 40° et 50°.
4. Brûleur (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d’injection (4) est adapté pour alimenter séparément ledit injecteur (5) en combustible d’une part, et en comburant d’autre part.
5. Brûleur (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit injecteur (5) comprend un conduit central (53) adapté pour l’injection d’un flux de combustible selon l’axe (X) de l’injecteur (5), le flux de comburant étant destiné à s’écouler au travers dudit élément de déflection (51).
6. Brûleur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface externe de la portion en amont dudit conduit central (53) est de forme tronconique, le diamètre de ladite surface externe étant sur cette portion décroissant, selon la direction d’injection.
7. Brûleur (1) selon l’une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la sortie de l’injecteur (5) est positionnée au sein de la chambre d’injection (52), à une distance comprise entre 0 et 45 mm du point d’entrée (21) du flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion (2).
8. Brûleur (1) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit injecteur (5) présente en sortie une section droite par rapport à l’axe de l’injecteur.
9. Brûleur (1) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le point d’entrée (21) du flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion (2) est positionné à proximité du centre de la paroi de la chambre de combustion (2) la plus distale de l’axe du brûleur.
10. Brûleur (1) selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit point d’entrée (21) dudit flux injecté de comburant et combustible dans la chambre de combustion (2) présente un diamètre de section adapté en fonction de la distance souhaitée de stabilisation de la flamme.
11. Brûleur (1) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit système d’injection (4) comprend une couronne (41) de distribution du flux de comburant et/ou combustible audit au moins un injecteur (5), ladite couronne étant préférentiellement alimentée via une pluralité d’entrées (411) uniformément réparties sur le pourtour de ladite couronne (41), le nombre d’entrées (411) étant encore préférentiellement égale au nombre d’injecteurs (5).
12. Procédé de fabrication de fibres de verre caractérisé en ce qu’il met en œuvre au moins un brûleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Procédé de fabrication de fibres de verre caractérisé en ce qu’il met en œuvre au moins un brûleur (1) selon la revendication 4 et comprend une étape d’alimentation séparée de l’injecteur (5) en combustible d’une part, et en comburant d’autre part, ledit procédé de fabrication comprenant une étape préalable de préchauffage dudit combustible, préférentiellement au moyen de gazs issus au moins en partie de la combustion.
14. Fibre de verre obtenue par mise en œuvre d’un procédé de fabrication selon l’une des revendications 12 et 13.
15. Procédé de contrôle d’un brûleur (1) selon l’une des revendications 1 à 11, ledit procédé comprenant une étape de contrôle du débit du flux de comburant et/ou combustible en fonction d’une valeur mesurée/estimée de température et/ou de pression, préférentiellement collectée à l’intérieur de la chambre de combustion (2).
16. Programme d’ordinateurs téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support d’enregistrement adapté pour être lu par un ordinateur et/ou exécuté par un processeur, comprenant un code d’instructions pour mettre en œuvre un procédé de contrôle selon la revendication 12.
17. Installation de fibrage équipée d’un ou plusieurs brûleurs selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
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