Brevet FR2125525A1 — publié le 19720929

La présente invention concerne de manière générale les brûleurs à gaz et en particulier les brûleurs du type comportant une plaque chauffante percée d'un grand nombre d'orifices ou de lumières par lesquels un mélange d'air et de gaz combustible pas-5 se et est allumé de manière à produire un front de flammes à haute intensité thermique le long de la surface de la plaque chauffante. On connaît déjà des plaques chauffantes percées d'orifices qui sont faites d'une matière céramique et, lorsque le mélan-10 ge d'air et de gaz sort des orifices ou lumières de la plaque et brûle dans des zones de combustion disposées près des sorties des orifices, des parties adjacentes de la plaque sont chauffées de manière intense jusqu'à l'incandescence pour produire des rayons infrarouges ou un flux de chaleur rayonnante. Pour assurer un 15 fonctionnement approprié du brûleur, il est essentiel que la vitesse du mélange d'air et de gaz passant par chaque orifice ou lumière soit supérieure à la vitesse de propagation de la flamme dans ce mélange afin d'éviter tout retour de la flamme dans la chambre de surpression qui alimente les divers orifices. 20 Comme décrit de manière plus spécifique dans la demande de brevet français n° 2019720 dont la description est incorporée au présent mémoire à titre de référence, on peut éviter un retour de flamme à travers les orifices, tout en permettant au brûleur de fonctionner dans une gamme de débits de gaz relativement étendue, 25 .en donnant à chaque orifice la forme d'un venturi. Lorsque chaque orifice a la forme d'un venturi, il présente un étranglement de petite section qui s'ouvre dans une sortie évasée ou divergente de sorte que la vitesse d'écoulement requise est maintenue dans l'étranglement pour éviter tout retour de flamme dans une gamme de 30 débits de gaz relativement large, tandis que la vitesse d'écoulement varie dans la sortie divergente en fonction du débit réel et détermine l'endroit,dans la sortie,où débute la combustion du mélange air-gaz. Dans les plaques chauffantes connues qui utilisent des orifices en forme de venturi, on a envisagé de maintenir, dans 35 la gamme de débits de gaz à utiliser, un écoulement laminaire du mélange air-gaz dans la partie étranglée ainsi que dans la sortie évasée ou divergente de chaque orifice pour produire la combustion la plus efficace possible du mélange air-gaz tandis que le flux thermique émis par rayonnement par la plaque chauffante varie de MD manière générale en correspondance avec le débit de gaz choisi. 72 05241 2125525 Ces "brûleurs produisent de la chaleur rayonnante à partir de la céramique dont ils sont faits et procurent une chaleur relativement très intense. Cependant, il est souvent souhaitable d'obtenir encore davantage de chaleur de ces brûleurs et de produire cette c.ha-5 leur avec un front de flammes ou une combustion avec des flammes bleues au lieu de la chaleur émise par rayonnement ou en plus de oall&-ci. Cela étant, l'invention a pouir but d'augmenter très sensiblement la chaleur produite par des brûleurs à gaz du type décrit plus haut. 10 L'invention a également pour but d'augmenter la chaleur produite par un brûleur du type décrit en établissant un front de flammes sur la surface aval de la plaque chauffante. Suivant un aspect de l'invention, chaque orifice de la plaque chauffante du brûleur présente un étranglement de section 15 relativement petite qui va d'une' entrée pour le mélange d'air et de gaz à une sortie évasée ou divergente dans laquelle, en particulier lorsque le mélange d'air et de gaz est amené au brûleur à un débit massique relativement élevé, un écoulement ou un jet essentiellement laminaire formé dans l'étranglement est projeté en son 20 centre et se sépare de la surface de sa sortie divergente pour créer un écoulement de recirculatiôn turbulent à vitesse relativement élevée autour de l'écoulement laminaire central ou jet. Les sorties divergentes des orifices délimitent des bords le-long de la surface de la plaque chauffante et,lorsque le jet de gaz sort 25 des orifices près des bords de la surface, un second écoulement de recirculation turbulent s'établit à la surface de la plaque au moment où le jet se sépare de la face aval de la.plaque et les vitesses de l'écoulement turbulent à grande vitesse diminuent lorsque cet écoulement turbulent passe sur le bord de la plaque. L'é-30 coulement de recirculation turbulent obtenu produit un effet de veilleuse ou d'auto-allumage qui allume le mélange d'air et de gaz sortant de la partie divergente de l'orifice pour assurer que la combustion se produise le long de la surface de la plaque plutôt qu'à un endroit situé à l'intérieur de la partie divergente de 35 l'orifice surtout si l'on utilise des débits massiques,très élevés. De plus, dans un brûleur mis en oeuvre suivant l'invention, un front de flammes bleues est formé sur-la surface de la plaque et produit des intensités thermiques élevées. Le front de flammes, dé par la construction du brûleur suivant l'invention,- ne décolle *t0 pas de la surface du brûleur comme cela se produit normalement 72 05241 2125525 avec les "brûleurs connus, de sorte que le front de flammes- est nain-tenu sur la surface du brûleur pour produire une chaleur de plus en plus intense à Mesure que le débit massique est accru. Ces buts, particularités et avantages de 1'invention ainsi 5 que d'autres encore ressortiront clairement de la description détaillée donnée ci-après, à titre d'exemple, avec"référence au dessin annexé, dans lequel : la Fig. 1 est une vue en élévation de côté, en partie en coupe verticale, d'un brûleur à gaz d'un type dans leqitel la pré-10 sente invention puisse être utilisée; la Fig. 2 est une vue en c-oupe, à plus grande échelle, de l'un des orifices ou lumières prévus dans le brûleur de la Fig. 1, et la Fig. 3 est une vue semblable à celle de la Fig. 2 qui 15 illustre la nature de l'écoulement du mélange d'air et de gaz par l'orifice conforme à l'invention. Le dessin détaillé et en particulier la Fig. 1 montrent qu'un brûleur à gaz 10 du type dans lequel la présente invention peut être utilisée comprend de manière générale un brûleur 12 com-20 portant une plaque chauffante l1*, qui est de préférence faite d'une matière céramique percée d'un grand nombre d'orifices ou de lumières 16 et une chambre de surpression 18 dans laquelle la plaque chauffante l*f s'étend transversalement dans sa partie supérieure de telle sorte qu'un mélange combustible d'air et de gaz 25 introduit dans la chambre 18 sorte de celle-ci par les orifices ou lumières 16 de la plaque l^f. Le mélange air-gaz est introduit dans la chambre de surpression 18 par un tube 20 à partir d'une alimentation 22 représentée schématiquement. Comme mentionné plus haut, l'air et le gaz combustible 30 introduits dans la chambre 18 forment un mélange combustible, de préférence presque ou approximativement stoechiométrique, et entretiennent, par conséquent, la combustion complète du gaz sans que l'on doive introduire un apport d'air dans la ou les zones de combustion. 35 * Comme l'indique en particulier la Fig. 2, chaque orifice ou lumière 16 en forme de venturi comprend une partie étranglée 26 qui part d'une entrée 28 s'ouvrant dans la surface inférieure 30 de la plaque 1^ et s'étend en direction d'une sortie divergente ou évasée 32 qui s'ouvre dans la surface aval 3^ de la *t0 plaque chauffante. L'entrée 28 de chaque orifice peut présenter 72 05241 2125525 une surface arrondie (non représentée) à son bord d'entrée 29 convergeant vers l'étranglement 26 pour assurer un écoulenent d'admission régulier ou sans à-coups du mélange d'air et de gaz de la chambre 18 dans l'orifice. L'étranglement 26 a une section rela-5 tivement petite qui est de préférence en substance uniforme sur toute sa longueur et la sortie évasée ou divergente 32 a pratiquement la forme d'un tronc de cône inversé de manière à avoir une section qui aille en augmentant progressivement de l'étranglement 26 vers l'ouverture de la sortie 32 dans la surface aval 3^, c'est-10 à-dire dans le sens de l'écoulement du mélange d'air et de gaz dans l'orifice 16. De plus, chaque orifice a de préférence une section circulaire sur toute sa longueur. La partie divergente 32 des divers orifices prévus dans la plaque chauffante délimite des bords 36 entre eux le long de la 15 surface supérieure de la plaque chauffante et le long desquels, comme décrit plus en détail plus loin, une séparation des écoulements et une recirculation du gaz passant par l'orifice se produisent pour former un front de flammes à la surface de la plaque. Lorsque le brûleur 10 décrit plus haut fonctionne, le mé-20 lange air-gaz est introduit dans la chambre de surpression 18 par le tube 20 à partir de la source ou alimentation 22 de manière à monter à travers les orifices 16 de la plaque 1^ et le mélange est initialement allumé près de la surface supérieure 3^ de la plaque 1*+, par exemple par un allumeur électrique classique ou une veil-25 leuse (non représenté). Dans le mode de mise en oeuvre du brûleur 10 décrit par exemple dans le brevet français précité, la gamme des débits massiques du mélange est choisie de manière que, aux limites supérieure et inférieure de cette gamme, la vitesse d'écoulement dans l'étranglement 26 de chaque orifice soit supé-30 rieure à la vitesse de propagation de la flamme dans le mélange, de manière à éviter tout retour de la flamme par les orifices dans la chambre 18. L'angle de divergence de la sortie 32 de l'orifice 16 et le débit de gaz massique maximum à utiliser sont choisis l'un par rapport à l'autre de telle façon qu'à tous les débits varia-35 bles corresponde un écoulement en substance laminaire du mélange dans l'étranglement 26 et dans la sortie divergente 32. En d'autres termes, l'écoulement à vitesse relativement élevée dans l'étranglement 26 se détend progressivement dans la sortie 32 pour maintenir une vitesse d'écoulement en substance uniforme dans tou-*tO te la section de la sortie 32, la vitesse des fractions externes 72 05241 ? 2125525 de l'écoulement étant légèrement inférieure à celle de sa partie centrale et ces vitesses allant en diminuant progressivement dans le sens longitudinal de l'étranglement 26 en direction de la sortie ou de l'ouverture de la sortie 32 dans la surface 3'+. 5 Lorsque l'on choisit la gamme de débits massa ques du gaz de manière à maintenir un écoulement laminaire du mélange dans la sortie 32 de chaque orifice, la combustion du mélange débute à un niveau situé dans la partie divergente 32 où la vitesse d'écoulement a été pratiquement ramenée à la vitesse de propagation de la 10 flamme. Dans la gamme de débits massiques relativement faibles à laquelle le brûleur est initialement mis en oeuvre, la combustion de l'écoulement laminaire du mélange air-gaz sortant de chacune des surfaces 16 se produit à l'ouverture de chaque orifice dans la surface 3^ ou près de cette ouverture de sorte que la combustion 15 chauffe intensément la sortie 32 de la plaque chauffante en céramique 1^ et la porte à l'incandescence. Cela étant, quoique le mode de mise en oeuvre proposé du brûleur 10 permette de faire varier d'une manière relativement large le rayonnement infrarouge produit par le brûleur 12 sans risque de retour de flamme lorsque 20 le flux thermique émis par rayonnement est ramené à son niveau le plus bas, le flux thermique maximum émis par rayonnement que l'on peut obtenir est en général limité par les plages de la plaque l*f relativement petites qui sont portées à l'incandescence au débit maximum pour lequel un écoulement laminaire est maintenu dans 25 la sortie 32. On a constaté qu'en augmentant le débit de gaz au-delà de la valeur à laquelle un écoulement laminaire se produit, on obtient un jet central qui est projeté dans la sortie divergente 32 de l'orifice et qui se sépare de la surface dans la sortie divergente 32 30 de manière à créer une zone d'écoulement de recirculation turbulent animé d'une vitesse relativement lente entre le jet central et la surface de la sortie 32. Dans cette zone de recirculation, des courants parasites animés d'une vitesse relativement moindre et soumis à une pression inférieure à celle du jet central sont 35 formés. Lorsque le mélange air-gaz sortant de l'orifice 16 est allumé, les gaz à vitesse inférieure dans cette zone sont allumés. Les gaz qui brûlent dans la zone transmettent très efficacement de la chaleur à la paroi conique de chaque*sortie 32 pour chauffer la paroi en céramique dont la plaque chauffante est faite,à une kO température à laquelle elle soit incandescente. La surface de la 72 05241 2125525 céramique incandescente est ainsi fortement accrue pour augmenter notablement le rayonnement infrarouge émis par le brûleur. On avait crû que tout accroissement du débit massique du mélange air-gaz passant par les orifices au-delà de la valeur à la-5 quelle une chaleur rayonnante maximum peut être obtenue, c'est-à-dire au-delà du débit massique auquel les gaz brûlent dans la totalité de la partie divergente 32, aurait pour effet de faire "décoller" les fronts de flammes de la surface 3^ de la plaque l'-t-, c'est-à-di-re que la combustion du mélange air-gaz se produirait en substance au-10 dessus de la surface 3^ de la plaque chauffante 1*+ d'une manière inefficace et indésirable, avec une diminution de l'incandescence et, par conséquent, de l'émission de rayons infrarouges par la plaque. Cependant, on a constaté avec surprise que la quantité de chaleur produite par le brûleur 10 est fortement accrue 15 lorsque, pour un angle de divergence particulier de la sortie 32 de chaque orifice, le débit massique du mélange air-gaz est suffisamment accru pour empêcher les gaz de brûler dans la sortie divergente 32, même avec la perte de rayonnement infrarouge qui résulte des parois chauffées de la sortie. 20 âinsi, suivant l'invention, comme l'indique la Fig. 3» on accroît le débit massique du mélange air-gaz suffisamment pour qu'un jet central ou un écoulement laminaire établi dans l'étranglement 26 de chaque orifice soit projeté dans la sortie divergente 32 et à travers celle-ci sous la forme d'un jet central 38 conjointement 25 avec une zone de recirculation turbulente animée d'une vitesse relativement élevée 39 près de la paroi de la sortie 32, ce jet et cette zone allant jusqu'aux bords 36 où un second écoulement de recirculation turbulent ho existe à la surface 3*+ de la plaque,près des bords. Les vitesses dans la zone 39 ainsi pro-30 duites sont trop élevées pour maintenir la stabilisation de la fla-me de sorte que le mélange air-gaz ne brûle pas à cet endroit tandis que,dans la zone *+0, les courants du mélange air-gaz sont à une vitesse et une pression relativement moins élevées et peuvent donc être allumés. Cela étant, à mesure que le débit massique aug-35 mente, le front de flammes remonte dans la sortie 32 vers la surface 3*+ mais, en raison de la seconde zone turbulente **0, il ne,^décolle pas de la plaque chauffante. Lorsque le mélange air-gaz sortant des orifices 16 est al-. lumé, les gaz à vitesse moins élevée dans la èone sont également *K) allumés. Les gaz qui brûlent dans la zone produisent une cha 72 05241 7 2125525 leur intense nettement supérieure a celle produite par les opérations à débit massique moins clevé qui produisent de la chaleur rayonnante. Les gaz qui "brûlent dans la zone *f0 produisent un front de flammes relativement plat le long de la surface supérieu-5 re 3^ de la plaque, c'est-à-dire un front de flammes bloues qui fournit en substance toute la chaleur émise par le brûleur. Comme les courants parasites et l'écoulement de recirculation des gaz dans la zone **0 étranglent les orifices 16, la chute de pression ou la perte de charge à la traversée de la plaque 10 1^ augmente et l'écoulement à grande vitesse du jet 38 est. maintenu. Les gaz qui brûlent dans la zone *+0 de recirculation servent également de veilleuse pour allumer le mélange air-gaz au moment où il sort de l'orifice 16 près des bords 36. La combus-15" tion du mélange air-gaz dans le jet 38 commence donc à son entrée dans la zone de recirculation par suite de l'effet de veilleuse décrit plus haut, de manière à empêcher tout décollement du front de flammes du brûleur. On petit ainsi utiliser un débit massique du mélange air-gaz à travers la plaque ib qui est plusieurs 20 fois supérieur par unité de surface de combustion à celui qui est possible avec n'importe quel brûleur connu existant. Comme un volume de combustible nettement plus élevé est ainsi consommé dans le processus de combustion, line quantité de chaleur sensiblement plus élevée est fournie par le brûleur. 25 Comme mentionné plus haut, la vitesse du mélange dans l'étranglement 26 est supérieure à la vitesse de propagation de flamme de sorte que les gaz y contenus ne brûlent pas et qu'un retour de flamme n'a pas lieu. L'écoulement des gaz qui ne brûlent pas dans l'étranglement 26 assure que la température de la 30 céramique à l'entrée de chaque orifice, c'est-à-dire du côté amont de la plaque l*t, soit maintenue à une température nettement inférieure à celle de la surface 3^ du brûleur. Le débit massique auquel la séparation des écoulements décrite plus haut se produit est évidemment fonction de l'angle 35 de divergence de la sortie 32 de chaque orifice 16. Ainsi, avec un angle plus grand, c'est-à-dire une divergence plus prononcée, il faudra un débit massique moindre pour séparer l'écoulement de gaz de la surface de la sortie 32. A titre d'exemple, pour une plaque chauffante comportant **0 des orifices dont l'étranglement a une longueur de 8,255 mm et un 72 05241 2125525 diamètre de 1,68 mm et dont la sortie divergente a une longueur de 7,62 mm et un angle de divergence inclus d'environ 13°, le débit massique requis pour une telle séparation est approximativement de 3» 35 de mélange combustible stoechioraétrique (gaz de ville et 5 air) à des conditions standard par dm * de surface de brûleur par heure. Pour une plaque chauffante présentant des orifices semblables sauf que la sortie divergente comporte un angle inclus de 11°, O le débit massique pour la séparation est d'environ 3,66 mJ standard du mélange combustible stoechiométrique dans des conditions O 10 standard par dm de surface de brûleur par heure. On peut atteindre une combustion à flammes bleues en portant le débit mas- \ O ^ sique jusqu'à environ 6,71 nr* standard par dm de surface de brûleur par heure pour la plaque chauffante ayant un angle de diverge o p des orifices de 13° et jusqu'à environ 5»03 m standard par dm 15 par heure lorsque les orifices ont un angle de divergence de 11°. La zone de recirculation *f0 des gaz de combustion produite le long de la surface supérieure 3^ est obtenue par la turbulence causée dans le courant ou le jet de gaz 38 et par la décharge de la zone 39 lorsqu'ils franchissent les bords 36 prévus sur 20 les surfaces des orifices. La zone turbulente ainsi produite permet d'augmenter sensiblement l'allure de combustion des gaz de tel le sorte que 'davantage de chaleur soit produite et elle empêche tout décollement du front de flammes de la surface du brûleur. Il est à noter qu'un front de flammes ainsi produit peut être obtenu 25 avec un orifice comportant simplement une partie divergente 32 sans étranglement 26. Cependant, la présence de l'étranglement 26 permet de régler le mélange d'air et de gaz à des débits massiques moins élevés de sortè que la chaleur produite peut être modifiée dans une gamme plus large, y compris les gammes de chaleur four-30 nie moins élevées produites par les modes de combustion infrarouge du brûleur. On a constaté qu'en augmentant sensiblement le débit massique du mélange air-gaz dans le brûleur 10, on peut accroître sen siblement la quantité de chaleur produite par la combustion 35 avec flammes. Dans la mise en oeuvre du brûleur décrit plus haut par rayonnement uniquement, c'est-à-dire avec des débits massiques moins élevés, la chaleur maximum produite atteint le ni-veau de 51 à 55 Kcal par heure par cm de surface de brûleur. En augmentant le débit massique dans le brûleur 10 suivant l'inven-kO tion, on peut porter la chaleur produite jusqu'à environ k6$ Kcal 72 05241 2125525 par heure par cm^ de surface de brûleur. Comme mentionné plus haut, à mesure que le. débit massique est augmenté, la quantité de chaleur rayonnante produite par le brûleur diminue lorsque le fonctionnement du brûleur s'approche 5 de la formation du front de flammes plat conforme à l'invention. A mesure que le débit massique s'approche du niveau où le brûleur p produit 51 Kcal par heure par cm la quantité de chaleur rayonnante émise commence à diminuer tandis que la quantité de chaleur rayonnante produite par la combustion des gaz. dans la zone *tC aug-10 mente. Par la suite, à mesure que le débit massique'continue à augmenter, la quantité de chaleur rayonnante produite par le brûleur s'approche de zéro et toute la chaleur est émise par la combustion des gaz dans la zone '-K). Il est à noter que la source 22 du mélange air-gaz procti-15 re de préférence une alimentation de gaz et d?air sous pression pour produire un débit massique par les orifices 16 qui assure l'obtention des caractéristiques d'écoulement décrites de l'invention. Cependant, un système d'alimentation par aspirateur venturi classique peut également être utilisé. Dans ce cas, le gaz 20 doit être débité à une pression suffisamment élevée pour que le mélange de gaz et d'air aspiré atteigne un débit massique suffisamment élevé pour produire une séparation des écoulements sur la surface de la plaque chauffante l*f, comme décrit plus haut. Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée 25 aux détsils d'exécution décrits auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre. 72 05241 2125525 R 3 Y E H D I C h I I 0 H S 1.- Procédé pour produire de la chaleur dans un brulour à gaz comprenant une plaque percée d'un grand nombre d'orifices comportant chacun des ouvertures d'entrée et de sortie dans les 5 faces opposées de la plaque, caractérisé en ce qu'on fait s'écouler un mélange combustible d'air et de gaz par les orifices à un débit massique tel que l'on obtienne un jet central du mélange dans chaque orifice partant de l'ouverture d'entrée et allant vers l'ouverture de sortie et une zone de turbulence à vitesse relati-10 vement élevée du mélange air-gaz entre le jet et les parois des orifices, et on produit une séparation des écoulements dvi jet et de la zone turbulente à vitesse élevée du mélange air-gaz au niveau du bord des ouvertures de sortie de chaque orifice pour produire une zone d'écoulement de recirculation turbulent à basse vi-1? tesse le long de la surface de sortie de la plaque dans laquelle la. propagation de la flamme ne soit en substance pas limitée. 2.- Procédé pour produire de la chaleur dans un brûleur à gaz comportant une plaque à orifices dans laquelle chaque orifice comprend un étranglement qui s'ouvre dans une sortie conique 20 présentant une section allant en augmentant dans le sens de l'écoulement du gaz et qui s'ouvre dans la surface de sortie de la plaque et forme des bords d'orifices, caractérisé en ce qu'on produit un écoulement à vitesse relativement élevée du mélange air-gaz combustible dans chaque orifice, cet écoulement ayant une section 25 en substance uniforme, on produit un écoulement de recirculation à vitesse relativement moins élevée du mélange air-gaz à la surface de la plaque près des bords, et on provoque la combustion de l'écoulement à vitesse moins élevée pour obtenir un front de flammes relativement plate le long de la surface. 30 3*- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on établit un débit massique du mélange air-gaz à travers les orifices tel que la vitesse d'écoulement du mélange dans l'étranglement de chaque orifice soit supérieure à la vitesse de propagation de la flamme du mélange et on établit un écoulement en 35 substance laminaire dans l'étranglement qui produit un jet du mélange au centre de la sortie, on produit un écoulement de recirculation à vitesse relativement moins élevée du mélange air-gaz à. la surface du brûleur située près des bords et on allume initialement le mélange sortant des orifices près des bords, à la suite de *f0 quoi une combustion intense du mélange se produit à la surface de 72 05241 2125525 la plaque pour allumer le mélange sortant des orifices on vue de produire un front de fiâmes relativement plat à haute intensité thermique sur la surface de la plaque. *t.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en 5 ce qu'on pressurise l'air et le gaz poxir atteindre le débit massique. P.Pon.de OOLUMBIA GAS SYSTEM SERVICE CORPORATION.