Brevet FR2040281A1 — publié le 19710122

La présente invention concerne des "brûleurs, notamment des brûleurs qui fonctionnent avec des combustibles liquides vaporisables comme le kérosène* Il est connu de brûler des combustibles liquides à des 5 fins de chauffage dans des brûleurs à mèche dans lesquels la mèche achemine le combustible à partir d'une réserve située en dessous de la zone de combustion à la partie inférieure de la zone de combustion» Ces brûleurs donnent une combustion satisfaisante avec des flammes bleues silencieuses mais ils ont été 10 seulement utilisés pour de petits dispositifs de chauffage portatifs» L'invention a trait à un brûleur à mèche qui convient bien pour être utilisé dans diverses applications qui nécessitent un plus grand rendement qu'avec un petit dispositif de chauffage portatif et pour lequel une commande automatique est 15 désirée, comme un dispositif de chauffage central domestique» L'invention se rapporte à une mèche dont au moins une partie est un évaporateur agencé• a) pour maintenir le combustible liquide par tension superficielle, 20 b) pour évaporer le combustible liquide maintenu dans l'é- vaporateur dans une zone de combustion proche d'une surface de 1*évaporateur par transfert de chaleur à partir de la zone de combustion, et c) pour permettre l'écoulement de combustible maintenu 25 dans l'évaporateur de façon à remplacer la perte de combustible par vaporisation, l'évaporateur étant percé de trous d'air, disposés de telle sorte que, pendant l'utilisation de la mèche comme constituant d'un brûleur brûlant un combustible vaporisable, la combustion ait lieu entre l'air passant à travers les trous 30 d'air et le combustible évaporé à partir de l'évaporateur* Conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, la mèche comporte également un ou plusieurs organes d'alimentation pendants de préférence verticalement et agencés pour plonger dans le bain de combustible, de telle sorte que durant 35 l'utilisation dans un brûleur, les organes d'alimentation élèvent le combustible liquide au niveau de 1 'évaporateur» Il y a lieu de remarquer que dans l'invention les expressins "horizontal","vertical" ou "verticalement" et "vers le bas" , se rapportent à une mèche qui est dans son orientation optimale» 70 14409 2 2040281 En fait» l'orientation n'est pas critique, au moins dans les limites acceptables dans la pratique domestique* L'évaporateur peut être horizontal ou peut comprendre des parties inclinées c'est-à-dire qu'il peut avoir la configura-5 tion d'une partie en dôme ou d'une partie en forme d'assiette* Les mèches dans lesquelles l'évaporateur comporte une partie inclinée vers le bas dans la direction d'écoulement du combustible sont avantageuses du fait que la pesanteur contribue au transfert du combustible* Des angles d'inclinaison particuliè-10 rement convenables sont de 20 à 70° à l'horizontale, de préférence de 4-0 à 50°. Dans une configuration préférée, l'évaporateur comporte deux parties inclinées, de préférence rectangulaires, reliées ensemble à leurs parties les plus basses* 15 Dans le cas de mèches qui comprennent des organes d'alimen tation et des évaporateurs avec des parties inclinées, les organes d'alimentation doivent être réunis aux évaporateurs aux parties les plus hautes* Il est habituellement désirable d'utiliser l'évaporateur 20 le plus mince qui accomplit le transfert de combustible nécessaire car plus l'épaisseur est importante, plus la capacité thermique de l'évaporateur et du combustible qui y est contenu est grande* Une capacité thermique faible facilite l'allumage car plus la capacité thermique est faible, plus facilement le 25 combustible est porté à la température d'évaporation* La facilité d'allumage est particulièrement importante dans le cas d'un brûleur qui est allumé et éteint par un dispositif de commande automatique* Un évaporateur mince confère un avantage supplémentaire lorsque le brûleur est éteint* La combustion 50 continue jusqu'à ce qUe l'arrivée du combustible contenu dans l'évaporateur soit épuisée et cet épuisement est obtenu de la façon la plus satisfaisante lorsque l'alimentation est faible, c'est-à-dire l'évaporateur est mince* Ainsi, il est désirable que l'évaporateur ait une épaisseur inférieure à 10 mm et pour 35 certaines applications, comme pour le chauffage central domestique, il est souhaitable que 1'évaporateur ait une épaisseur inférieure à 5mm, notamment inférieure à 3 mm* En vue d'obtenir une distribution d'air uniforme, il §st désirable que les trous d'air soient uniformément répartie 70 14409 3 2040281 sur l'évaporateur* Les trous d'air sont, de préférence, de forme circulaire et ont en particulier une surface de 0,1 à 1 cm? . Le nombre des trous d'air est tel qu'il représente 20 à 50 notamment 25 à 35% de la surface totale de l'évaporateur» 5 L'invention concerne tant des mèches rigides que des mèches non rigides» Les mèches non rigides sont constituées de matière flexible, par exemple de fibres de céramique et, par conséquent, étant donné que la mèche s'affaisse sous son propre poids, elle 10 doit être utilisée en liaison avec un élément de support agencé pour la maintenir dans la configuration désirée» D'autre part, les mèches rigides, c'est-à-dire les mèches constituées de métal poreux comme de la mousse de métal sont capables de supporter leur propre poids et ainsi aucun élément de support 15 n'est nécessaire» Des mèches anisotropes sont particulièrement appropriées pour la plupart des applications. Les mèches anisotropes offrent une résistance inférieure à l'écoulement de combustible'liquide dans les directions au niveau de la zone de combustion plutôt 20 que dans la direction de l'écoulement d'air, c'est-à-dire que la grosseur des pores a une dimension plus faible dans la direction de l'écoulement d'air plutôt qu'aux angles droits» Pour des formes de réalisation qui comprennent un évaporateur horizontal, il y a une résistance inférieure à l'écoulement de liquide 25 dans la direction horizontale plutôt que dans la direction verticale, c'est-à-dire que la grosseur des pores a une plus grande dimension dans les directions horizontales que dans la direction verticale» Les mèches anisotropes ont la propriété de faciliter l'écou-30 lement du combustible dans les directions désirées (c'est-à-dire au niveau de la zone de combustion pour obtenir une répartition uniforme du combustible) mais de gêner l'écoulement du combustible dans les directions non désirées (c'est-à-dire de dégoutteras combustible à l'extérieur de la mèche). 35 L'invention se rapporte à des brûleurs qui comportent des • mèches conformes à celles décrites ci-dessus» L'invention est représentée à titre d'exemples non limitatifs aux dessins annexés» La fig» 1 est une vue en coupe transversale verticale 70 14409 ♦ 2040281 d'un brûleur ayant une mèche en métal alvéolaire* La fig» 2 est une vue de dessus du brûleur représenté à la f ig • 1 • La fig* 3 est une variante du brûleur représenté à la 5 fig* 1 ayant un évaporateur horizontal plat et des organes d'alimentation* La fig* 4 représente une forme de mèche supportée du brûleur représenté à la fig* 3* La fig. 5 représente une modification du brûleur illus-10 tré à la fig* 3 ayant un organe d'alimentation séparé* La fig* 6 est une vue en coupe transversale verticale d'une mèche ayant la configuration préférée» La fig* 7 est une vue en plan de la mèche représentée à la fig* 6» 15 La fig* 8 est une vue en coupe transversale schématique d'une chaudière de chauffage central domestique qui comprend une mèche comme celle illustrée aux fig* 6 et 7* Le brûleur représenté aux fig» 1 et .2 comprend une mèche 10 qui comporte un évaporateur 11 ayant la forme d'un 20 disque circulaire horizontal en mousse de métal broyé* L'évaporateur 11 est percé par des trous d'air 14 disposés suivant un schéma hexagonal c'est-à-dire que chaque trou interne comprend six trous voisins dont le centre forme un hexagone régulier* 25 La mèche 10 est réalisée à partir d'un bloc cylindrique en mousse de métal en le broyant parallèlement à son axe dans le rapport 5 : 1 et les trous d'air 14 sont découpés en même temps* Initialement la mousse de métal affecte la forme d'un réseau à trois dimensions de brins de nickel tubulaires qui 30 définissent des pores dodécaédriques d'un diamètre moyen de 0,3 mm* La compression aplatit les pores initiaux de telle sorte qu'ils deviennent minces dans la direction verticale* Le dodecaèdre irrégulier peut être compacté pour remplir l'espace et la mousse peut être considérée comme un exemple d'un 35 tel compactage* Ainsi de ce point de vue, les brins de métal forment les bords du dodécaèdre* La circonférence de la mèche 10 vient au contact d'un bain de combustible 13* Pendant l'utilisation, l'évaporateur 11 contient une réserve de combustible liquide qui est mainte- 70 14409 5 2040281 nu dans les pores par la tension de surface et acheminé horizontalement par le passage d'un pore à l'autre» Les pores offrent une grande résistance à l'écoulement vertical de sorte que le combustible ne dégoutte pas à partir du côté inférieur» 5 Tandis que le brûleur est allumé, la chaleur de combustion aspire l'air par l'intermédiaire des trous d'air 14 et la chaleur vaporise du combustible dans la zone de combustion qui est proche de la surface supérieure de l'évaporateur, de telle sorte que le brûleur reste allumé» 10 Le rendement de chaleur peut être réglé en réduisant l'écoulement du combustible dans le bain de combustible 13 de manière à diminuer le taux de l'alimentation du combustible à la zone de combustion. Lorsque l'alimentation du combustible est réduite vers une valeur nulle, le brûleur s'écarte tout 15 d'abord du centre du fait du manque de combustible* Ceci a pour effet d'engendrer une "zone morte", au centre qui s'étale (lorsque l'amenée du combustible est réduite) jusqu'à ce que tout le brûleur soit éteint»En conséquence, le brûleur est capable d'un bon réglage de température* Pour allumer à nouveau le brû-20 leur, l'alimentation du combustible est rétablie et un allumage est appliqué* Cela a pour effet de déclencher la combustion et de mettre en marche le brûleur comme décrit ci-dessus» Le brûleur représenté à la fig» 3 comprend une mèche en métal alvéolaire ayant un évaporateur 11 et un organe d'ali-25 mentation 12. L'évaporateur 11 est formé de mousse de métal broyé comme décrit ci-dessus et l'organe d'alimentation se compose d'un cylindre annulaire de mousse de métal non broyé* L'organe d'alimentation 12 repose dans un bain de combustible au niveau de l'évaporateur 11 au moyen d'un effet de 30 mèche» Le transfert du combustible au niveau du brûleur et la combustion se produisent comme décrit ci-dessus» L'alimentation du combustible au brûleur est convenablement réglée en faisant varier le niveau de liquide dans le bain de combustible 13» L'évaporation du combustible à l'extérieur de la zone de combus-35 tion est gênée par l'anneau de garde 19<> Le brûleur représenté à la fig» 4 est analogue à celui de la fig° 3 sauf que la mèche est réalisée à partir d'une matière céramique fibreuse à la place-d'une éponge de métal» iitant donné que la matière fibreuse n'est pas auto-supportée, 70 14409 6 2040281 elle est portée par un élément de support (généralement désigné par 18) qui comprend une plaque de base horizontale 15 sur laquelle l'évaporateur 11 repose» La plaque de base- 15 comporte des tubes s'étendant vers le haut 16 dont les alésages 5 forment les trous d'air H» L'élément de support 18 comprend également une bague de support circulaire 17 qui repose dans le bain de combustible 15 et qui maintient la mèche dans la position de travail» .Dans le mode de réalisation représenté à la fig.5, l'éva-10 poratèur 11 est formé de mousse de métal broyé (comme à la fig. 3) mais l'organe d'alimentation 12 est constitué de fibres de céramique qui viennent au contact de l'évaporateur 11 et qui» par conséquent transfèrent le combustible liquide» L'organe d'alimentation 12 est maintenu au contact avec l'éva-15 porateur 11 par l'anneau de garde 19» On a effectué des essais de laboratoire sur un brûleur tel que celui représenté à la fig» 3 en utilisant du kérosène comme combustible et pendant ces essais on a noté que la zone de combustion avait une coupe transversale circulaire avec une 2 0 combustion totale environ 0,5 cm au-dessus de la partie supérieure de la mèche» Les dimensions importantes du brûleur sont mentionnées au Tableau I et au Tableau II ci-après qui donnent les résultats des expériences» Tableau I 25 Diamètre global 6, 4 cm Diamètre de la zone de combustion 4, 2 cm Surface de la coupe transversale de la zone de combustion 13, 9 cm2 Diamètre de chaque trou d'air 4 mm 30 Nombre de trous d'air 37 Surface totale des trous d'air 4,7 cm2 Longueur de chaque trou d'air ' 2 mm 70 14409 7 2040281 Tableau II Longueur de la cheminée cm 20 20 20 Plus petite hauteur de la mèche mm 7 9 10 Plus grande hauteur de la mèche TffîTl 9 11 12 Ecoulement du kérosène ml/ mn 1 ,88 0,8 néant Rendement total watts 1160 490 — fiendement (par unité de surface) watt/cm2 84 35 - Gaz carbonique dans le 4, le gaz de fumée en volume 10,6 — — Air en excès % en volume 37 mm - 15 L'expression "plus petite hauteur de mèche" signifie la distance verticale entre le niveau de combustible dans le bain de combustible 13 et la partie inférieure de l'évaporateur 11 tandis que l'expression "la plus grande hauteur de mèche" désigne la distance à la partie supérieure de l'évaporateur» 20 La mèche représentée aux fig» 6 et 7 est constituée de la même mousse de métal que décrite précédemment» Elle comprend un évaporateur 11 qui est constitué de deux feuilles rectangulaires 20a, et 2 0b qui ont une épaisseur de 3mm et une inclinaison de 45° par rapport à l'horizontale et qui sont 25 reliées à leurs bords inférieurs le long de la ligne 21. La feuille 2Oa^ est réunie à un organe d'alimentation 12 a à son bor'd supérieur» De la même façon, la feuille 20a est reliée à un organe d'alimentation 12b» Les feuilles 20a_ et 20]j sont percées par des trous d'air circulaires 14 disposés suivant 30 un schéma hexagonal uniforme (c'est-à-dire que chacun est entouré par six trous proches)» Le diamètre des trous d'air 14 est de 3mm et leur surface totale représente 30 $ de la surface globale de l'évaporateur» La mèche est réalisée par pressage et cintrage d'une 35 feuille plate de mousse de métal et la courbure entre les organes d'alimentation et les deux feuilles est choisie de façon à éviter la tension de la mousse de métal. Pendant le pressage, la mousse dans l'évaporateur est réduite en épaisseur dans le rapport 70 14409 8 2040281 de 3 s H. Lorsque la mèche représentée aux fig» 6 et 7 est incorporée dans un brûleur, chacun des organes d'alimentation 12a et 12b repose dans un bain de combustible où. le combustible 5 liquide.est alimenté» La fig* 8 représente un appareil de chauffage central domestique du type à circulation d'eau chaude qui comprend un tel brûleur. L'appareil représenté à. la fig* 8 comprend une chambre de combustion 30 à coupe iransversale rectangulaire qui pré-10 sente une admission d'air 31 et une sortie de gaz de fumée 32 qui sont reliées à une cheminée» Un bain de combustible 31 est disposé sur les côtés les plus longs du rectangle et les organes d'alimentation 12a et 12b de la mèche, comme représenté aux fig» 6 et 7, reposent 15 dans le bain de combustible 31. Un ventilateur 33 se trouve en dessous de la mèche et un échangeur de chaleur 37 (pour chauffer l'eau circulant) se trouve au-dessus» Le combustible est alimenté dans le bain 31 par l'intermédiaire de la conduite de combustible 38 sous la commande 20 de l'organe de régulation d'écoulement 34. Le réglage de l'organe de régulation d'écoulement 34 est effectué à l'aide d'un thermostat 35 disposé dans la sortie 36 de 1'échangeur de chaleur 37» Lorsque la température de l'eau dans la conduite de sortie 36 tombe en dessous du réglage du thermostat 35, 25 l'organe de régulation d'écoulement augmente l'alimentation de combustible, tandis que lorsque la température s'élève à une valeur trop élevée, l'alimentation de combustible est réduite ou interrompue de sorte que le brûleur s'arrête» On prévoit habituellement un dispositif de réglage du ni-30 veau, non représenté, servant de moyen de sécurité» Il a une utilisation car l'organe de régulation d'écoulement tend à élever le niveau du combustible à une valeur si importante qu'il y a une tendance de débordement» Le brûleur incorporé dans l'appareil représenté à la fig.8 35 fonctionne essentiellement comme décrit ci-dessus» Les organes d'alimentation 12a et 12b élèvent.le combustible-par l'action de mèche aux bords supérieurs des feuilles 20a et 20b et ensuite la pesanteur contribue au transfert du combustible (qui est en phase liquide) vers la conduite 21. A mesure qu'il passe 70 14409 9 2040281 à travers l'évaporateur, le combustible se vaporise dans la zone de combustion près de la surface supérieure de l'évaporateur oîi il brûle avec l'air s'écoulant par l'intermédiaire des trous d'air* v 5 L'allumage automatique est obtenu de façon appropriée par un dispositif électrique (que l'on n'a pas représenté au dessin). Ce dispositif électrique se compose d'un organe de chauffage à serpentin pour chauffer une faible surface de la mèche et d'une électrode pour produire des étincelles en coopération avec la mèche en mousse de métal. Pour obtenir l'allumage, le dispositif d'allumage est commuté et le combustible est relancé* Lorsque le combustible liquide atteint la surface chauffée, une certaine quantité se vaporise et la vapeur est allumée par les étincelles» Ceci fournit une flamme qui s'étend sur toute ^5 la surface du brûleur» Il y a lieu de remarquer que dans tous les brûleurs décrits ci-dessus la totalité de la base de la zone de combustion est proche de la surface supérieure de l'évaporateur* Ainsi, l'évaporateur et le combustible liquide qui y est contenu sont 20 chauffés et, en conséquence, le combustible est évaporé dans la zone de combustion* L'évaporateur maintient une alimentation de combustible liquide qui est susceptible dé se déplacer dans l'évaporateur et de remplir ainsi l'alimentation car le combustible se vaporise dans la zone de combustion* Du fait que 25 l'évaporateur fournit une bonne alimentation de combustible près de la totalité de la base de combustion, il procure une alimentation répartie uniformément de vapeur de combustible avec la zone de combustion. La conductivité thermique de la mousse de métal mentionnée 30 en regard des fig* 1 et 2 a révélé qu'elle fournit un bon transfert de chaleur-au combustible liquide maintenu dans l'évaporateur* La grosseur des pores est bonne pour retenir et transférer des combustibles liquides* 14409 1iO 2040281 REVENDICATIONS 1 - Mèche comportant un évaporateur qui transfère du combustible liquide à travers des pores agencés pour maintenir, par la tension de surface, une réserve de combustible, caractérisée -en ce que l'évaporateur est percé de trous d'air à travers lesquels l'air de combustion passe dans une zone de combustion près d'une surface supérieure de l'évaporateur et en ce que ce dernier évapore le combustible liquide dans la zone de combustion en transférant de la chaleur à partir de la zone de combustion vers la réserve de combustible contenu dans l'évaporateur • 2 - Mèche suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'évaporateur comprend deux parties, chacune inclinée vers le bas dans la direction de l'écoulement du combustible, suivant un angle de 20 à 70° par rapport à l'horizontale, ces parties étant reliés ensemble à leurs parties inférieures» 3 - Mèche suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'évaporateur a une épaisseur inférieure à 5 mm* 4 - Mèche suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'évaporateur est constitué de mousse de métal»