Brevet FR2262347A1 — publié le 19750919

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés à un régulateur de la pression drun gaz permettant dtas- servir la dite pression à la pression d'un autre gaz et d'obtenir un rapport constant, égal à un ou non, entre les pressions des deux gaz. Le régulateur selon l'invention szapplique à des installations dans lesquelles on doit obtenir le mélange d'un gaz comburant et d'un gaz combustible sous un rapport de volumes constant en maintenant un rapport constant égal à un ou non des pressions des gaz. I1 convient à un système de r eeme d1un gaz comburant et d1un gaz combustible, servant à l'alimentation d2un brûleur.Il peut aussi servir à l'alimentation sans prémé- lange d'un brûleur à air et gaz séparés, Quand un gaz comburant et un gaz combustible doivent être mélangés avant combustion, il doit exister un rapport constant et déterminé entre les volumes ou les débits des gaz, Si l2on veut obtenir la conservation de la compositlon des produits de combustion dans une large gamme de puissance, On cherche particulierement un rapport air/gaz pour lequel la combustion est complète, le contenu de chaleur dans les produits de combustion minimum, et le rendement de combustion optimum0 Si le gaz comburant est l'air, on peut définir l'air théorique ou pouvoir comburivore, qui est la quantité d'air nécessaire et suffisante pour assurer la combustion complete delm normal de gaz, le mélange étant dit stoechiométrique. le prémélange du gaz comburant et du gaz combustible s'effectue actuellement selon différentes techniquesO mous rappellerons brièvement certaines de ces techniouesv Les mélangeurs à air inducteur et gas détendu comprennent un détendeur de gaz, un injecteur d'air surpressé, un mélangeur en forme de venturi dans lequel débouchent 12 air et le gaz sortant respectivement de l'injecteur et du détendeur et un organe de régla ge du rapport air-gaz situé sur le circuit de gaz apres le détenteur et avant le mélangeur aet organe de règlage est dans certains cas un détendeur à membrane asservi à une pression partielle d'air introduit dans le mélangeur. Une autre technique est constituée par les machines de mélange qui permettent d'obtenir un mélange de conposition et de pression constantes, cette pression pouvant être élevées Elles comportent essentiellement d'urne part un mélangeur dans lequel l'air et le gaz pénétrent sous des pressions en rapport constant et pro ches de la pression atmosphérîue et d'autre part un surpresseur reprenant le mélange, Le mélangeur comprend un détendeur à membrane monté sur l'alimentation en gaz et asservi à la pression d'air, le rapport gaz/air étant règlé dans le mélangeur par règlage du rapport des sections d'admission de gaz et dtairO On connaît par ailleurs des boites de mélange alimentées en air et gaz sous pressions Le règlage de la puissance et du rapport air/gaz s'effectue selon deux méthodes. La méthode la plus simple consiste à utiliser une vanne motorisée sur une seule canalisation d'alimentation et un régulateur de pression à membrane monté sur la seconde canalisation avec prise dtasservissement sur la première canalisation. Un exemple de cette technique est décrit dans le brevet français 10403e7380 La technique de règlage simultané de la puissance et du rapport air/gaz par régulateur de pression asservi, décrite précédemment s'applique également à l'alimentation d'un brûleur sans prémélange, à air et gaz séparés. L'exposé précédent montre que les régulateurs ou détendeurs à membrane asservis à une pression de pilotage sont très utilisés sur les circuits d'alimentation des brûleurs à gaz. Il existe actuellement différents modèles de ces régulateurs. Un prenier type de régulateur à membrane est représenté sur le brevet français 1.403.738. Il comporte une capsule munie d'une membrane horizontale séparant deux chambres dont l'une est reliée à la pression de pilotage0 Un orifice d'entrée et un orifice de sortie du gaz contrôlé débouchent dans l'autre chambre, dans laquelle un clapet relié mécaniquement à la membrane obture plus ou moins 11 orifice d'entrée. Ce type de régulateur est simple, mais la sensibilité et la précision de la régulation ne sont pas très bonnes. Un second type de régulSteauraçsst représenté sur le brevet US 1.573.079 et sur le breve 1,4490818 de la demanderesse. Ce type de régulateur comporte dgune part une capsule partagée en deux chambres par une membrane,les dites chambres étant connectées respectivement au gaz de pilotage et au gaz contrôlé et autre part un ;tiroir d'obturation d'une conduite séparée du gaz controlé, le tiroir étant accouplé à une tige commandée par la membranes La membrane montée horizontalement est accouplée à un ressort vertical assurant ltéquilibrage de l'ensemble mobile constitué par la membrane, le clapet et la tige de liaison. Les régulateurs connus ne sont pas suffisamment précis et sensibles pour assurer à tous les débits une proportion rigoureuse entre les pressions des fluides. L'invention a pour but de fournir un régulateur de pression à membrane ne faisant pas appel à un ressort et doté d'une grande précision et dune grande sensibilité0 Les frottements des parties mobiles sur les parties fixes sont très réduits, ce qui permet d'obtenir une régulation extrèmement précise du rapport des pressions dbs gaz.Le régulateur permet d'obtenir un rapport des pressions du gaz combustible et du gaz comburant égal à 1 ou différent de 1.Si le rapport des pressions est égal à 4 on peut alors obtenir une précision telle que la différence des pressions soit de 11 ordre du millimètre de colonne d'eau. Le règlage du débit de gaz sur la canalisation est étudié de manière que les pressions gazeuses ne créent aucune force parasite dans le fonctionnement.L'invention fournit des applications du régulateur dans lesquelles il est monté sur une installation dtalimentation en gaz comburant et gaz combustible de brtleur et permet d'obtenir une combustion neutre, ou une combustion oxydante ou une combustion ré ductriceO Le régulateur de pression conforme à l'invention, servant à la régulation de la pression d'un gaz par asservissement à la pression d'un autre gaz, comporte :: - une capsule munie de deux orifices dont l'un est relié à une prise de pression ménagée sur la canalisation de gaz à pression as- servie et dont autre est relié à une prise de pression ménagée sur une canalisation véhiculant le gav de %;5oSage, - une membrane délimitant avec étanchéité dans la capsule, deux chambres dans chacune desquelles débouche un des orifices, un moyen de contrôle du débit de gaz dans la canalisation de gaz à pression asservie - une tige de manoeuvre reliant le moyen de contrôle du débit à la membrane, et il est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte des organes de roulement assurant le guidage de la tige, en position horizontale. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à un mode de réalisation particulier donné à-titre d'e emple et représenté sur les dessins annexés. La figure 1 montre un exemple d'application du régulateur selon l'invention au règlage du rapport gan-combustible/gaz combu rant-d'un système de prémélangeO La figure 2 est une coupe verticale du régulateur selon l'invention. L'installation utilisant le régulateur selon l'invention est représentée à la figure 1. Elle comporte une canalisation 1 qui véhicule le gaz comburant, l'air par exemplessentrainé sous l'action d'un ventilateur 2. Une vanne motorisée 3 contrôle le débit du gaz. Le gaz combustible, gaz naturel par exemple, est détendu dans un détendeur et est amené dans une canalisation 5 pour être mélangé avec le gaz comburant dans les proportions ste̲chiométriquese Le débit du gaz comburant dans le conduit est contrôlé par un régulateur de pression 4 assurant lXasservissement de la pression du gaz combustible à la pression du gaz comburant0 En un point de la conduite dez.l est branché, par l'intermédiaire d'une prise située en aval de la-vanne motorisée 3, un conduit 6 relié à la première chambre 10 du régulateur de pression qui est délimitée par une membrane mobile 12. Un conduit 13 réunit à partir d'une prise située en aval du régulateur le conduit 5 de gaz combustible à la deuxième chambre 14 du régulateur.La membrane mobile 12 séparant les chambres 10 et 14 déplace un clapet 15 qui est monté sur la canalisation 5, de manière que les pressions dans les chambres 10 et 14 soient constam- ment égales, Les pressions dans les canalisations 1 et 7, respectivement en aval de la vanne 3 et du régulateur 4 sont constamment égales0 Les canalisations 1 et 7 débouchent dans l'enceinte de mélange 8 par des orifices calibrés, le rapport des orifices calibrés associés respectivement aux canalîsatîonsl et 7 étant fonction du pouvoir comburivore.Le brevet français 1.449 818 fournit un dispositif de mélange stoechiométrique en utilisant une section de passage pèrçee de trous cylindriques de mme diamètre, les uns affectés au gaz, les autres affectés à ltair. La vanne motorisée 3 permet de faire varier simultanément les pressions du gaz combustible et du gaz comburant qui restent égales en smont de la section de passage, et permet donc de modifier le débit du mélange qui reste de composition constante e Le régulateur 4, représenté en détail à la figure 2, comporte une membrane 12 verticales séparant les deux chambres 10 et 14 dtune capsule rigide 17.La capsule comporte un orifice 171 qui débouche dans la chambre 10 et est destiné à 8tre raccordé à la conduite de gaz comburant La chambre 10 est donc à la pression du gaz comburant0 La capsule comporte un second orifice 172 destiné à être raccordé à la conduite de gaz combustible0 La chambre 14 contient donc le gaz combustible et elle est fermée par un joint 28o La membrane 12 est formée de disques 121 en alliage léger enserrant la membrane proprement dite 122 formée d'un matériau élastique0 La membrane 12 est traversée par une tige 18 servant de support à la dite membrane et au déplacement du clapet 15 monté sur la canalisation de gaz combustable. Le support et le guidage la tige 18 est assuré, pratiquement sans frottement, par des galets montés sur roulements ou encore par des petits roulements0 Ainsi, la tige 18 roule sur des petits roulements 19 à axes horizontaux montés sur les supports 20. Des roulements 21 à axes verticaux montés sur les mêmes supports assurent le guidage de la tige dans le plan horizontal. L'effort pour effectuer le dénlacement de la membrane 12, est, compte tenu du faible poids des disoues 121, extrèmement faible La tige 18 est reliée au clapet 15 qui est disposé dans un corps 22, lequel est muni dtune bride 221 raccordée à la conduite 5 d'alimentation en gaz combustible et d'une bride 222 raccordée à la conduite 7 de gaz combustible allant vers le système de mélange des gaz.Le système de clapet sépare donc une chambre 223 alimentée à la pression du réseau et une chambre 224 dans laquelle passe le gaz combustible détendue Le clapet 15 comprend d'une part un support de coulisseau 23 fermant la section de passage du gaz combustible et d'autre part un coulisseau creux 24, de préférence de forme cylindrique. Ce coulisseau est mobile horizontalement dans le support et règle le débit de gaz combustible0 Le gaz pénètre par des orifices 231 du support 23 dans une chambre 25 annulaire entourant le coulisseau 24. La paroi extérieure 241 du coulisseau est tercée d'orifices 242 permettant au gaz combustible de passer de la chambre 25 vers la chambre 224 par l'intérieur du coulisseau Le gaz combustible haute pression exerce une pression tout autour du coulisseau. Cette disposition évite de créer une force axiale agissant sur le coulisseau. Les métaux constituant le support 23 et le coulisseau 24 sont choisis de manière en rtengendpel que des forces de frottement aussI faibles que pozsiblee La tare zédiaue 243 du coulisseau est elle-meme percée d'un orifice 244.De cette manière, les pressions dans la chambre 224 et dans la chambre 30 comprise entre a paroi 243 et la paroi 232 du support de coulisseau sont égales, Cette disposition évite de créer un effort axial sur le coulîsseau0 Le coulisseau 24 est relié élastiquement à la tige 18o A cet effet le coulisseau est accouplé à une tige 26 reliée par un bloc élastique 31 à la tige 18. La tige 26 est par ailleurs reliée élastiquement au coulisseau 24 pour permettre les débattementsde celui-ciO Cette disposition évite des efforts latéraux qui augmenteraient les frottement s0 Seul subsiste le poids du coulisseau0 L'attelage 18.26 traverse la chambre 224 dans laquelle passe le gaz combustible détendu0 Xt étanchéité est assurée par un joint 27. Le corps 22 forme une chambre 32 fermée par les joints 27 et 28. Ces joints sont constitués par des rondelles feutre flot tantes coulissant sur la tige et ne la serrant pas. Ces joints 27 et 28 sont situés dans le circuit du gaz combustible détendu et ont donc simplement à assurer l'étanchéité entre la chambre 224 et la chambre 10, la première étant en très légère surpression par rapport à la seconde.La chambre 32 est connectée par les orifices 29 avec la canalisation 7 de gaz combustible détendu, dans une zone de pression régulière, en aval de la bride 222o De cette manière une valeur du signal est assurée sur la membrane 12 et les fuites possibles du joint 27 sont écoulées, la pression dans la chambre de détente 224 pouvant être en effet supérieure à la pression dans la canalisation 7 du fait de la perte de chargez Le fonctionnement du régulateur va être maintenant dé cuit, Le gaz combustible pénétre dans la chambre 223 sous la pression du réseau Pro Si les orifices 222 sont entièrement découd verts, le gaz pénétre dans la chambre 224 sous une pression Pm t Pr à cause des pertes de chargez La pression de gaz comburant p ne peut évidemment devenir supérieure à Pm car il ne serait pas pos sible d'atteindre l'équilibre. Soit une pression pl de gbaz comburant combustible inférieure à Pm. Il faut pour que la pression de gazïsoit égale que les orifices 242 soient partiellement fermés, par le support de coulis seau. A chaque valeur de la pression de gaz comburant correspond une position du coulisseau 24. Au fur et à mesure que la pression de gaz comburant augmente, la membrane et le coulisseau se déplacent vers la droite, les orifices 242 se découvrent, la pression du gaz combustible augmentant de manière correspondante. Inversement au fui et à mesure que la pression de gaz comburant diminue, les orifices 24q se ferment, la pression de gaz combustible diminuant de manière correspondante. Le régulateur décrit précédemment permet obtenir l'égalité des pressions de gaz comburant et de gaz combustible. Dans une application particulière, on peut obtenir non pas l'égalité des pressions mais un rapport constant des pressions différant de 1. T1 faut alors créer une fuite contrôlée sur le circuit dérivé 6 de gaz comburant, par exemple à l'arrivée dans la chambre 10 alimentée en gaz comburant. Cette fuite provoque une baisse de pression du gaz comburant dans la chambre 10. La pression du gaz combustible dans la chambre 14 se trouve réglée sur cette valeur. Les pressions de gaz comburant et de gaz combustible à l'arrivée dans 11 enceinte de mélange ne sont donc plus égales. La pression de gaz combustible est alors inférieure à la pression de gaz comburant.Si les sections d'entrée du gaz combustible et du gaz comburant dans l'enceinte 8 sont telles que pour des pressions égales la combustion soit neutre la diminution de la pression du gaz combustible par rapport à la pression du gaz comburant par le jeu de ltorifice Ce~IAuibemodifie la nature de la combustion qui devient oxydante. Si les sections des orifices a'entrée du gaz comburant et du gaz combustible sont telles que la combustion soit réductrice pour des pressions égales, lflintervention de orifice de fuite de gaz comburant permet d'obtenir les différentes natures de combustion. L'orifice de fuite peut titre un orifice calibré, réglable. Il peut être commandé à distance. I1 est bien entendu que lton peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et perfectionnements de détails REVVD,,lCTTClXTS 1. - Régulateur de pression d'un gaz asservie à la pres sion d'un autre gaz, monté sur la canalisation de gaz à pression asservie, comportant - une capsule munie de deux orifices dont l'un est relié à une prise de pression ménagée sur la canalisation de gaz à pression asservie et dont l'autre est reliée à uae prise de pression ménagée sur la à pression canalisation véhiculant le gaz de pilotage - une membrane délimitant avec étanchéité dans la capsule deux chambres dans chacune desquelles débouche un des orifices, - un moyen de contrôle ci débit du gaz dans la canalisation de gaz à pression asservie , - une tige de manoeuvre accouplant le moyen de contrôle du débit et la membrane, caractérisé par le fait qu'il comporte des organes de roulement assurant le guidage de la tige, en position horizontale. 2. - Régulateur de pression selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de contrôle du débit comporte : - un coulisseau creux, mobile perpendiculairement à la membrane, muni sur sa paroi extérieure d'orifices de passage du gaz, - un support de coulisseau fermant le conduit du gaz et muni d'une chambre annulaire entourant le coulisseau et d'orifices de passage du gaz entre l'amont de la conduite et la dite chambre annulaire 3. - Régulateur de pression selon l1une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de liaison élastique du coulis seau et de la tige de manoeuvre 4. - Régulateur de pression selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre de détente du gaz située entre le coulisseau et la capsule et traversée par la tige de manoeuvre et que la chambre de la capsule située du côté du coulisseau est reliée à la canalisation de gaz à pression asservie, 5. - Régulateur de pression selon lJune des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte : une chambre intermédiaire qui est située entre la chambre de détente et la chambre de la capsule contenant le gaz à pression asservie ; des joints assurant l'étanchéité à la traversée de la dite chambre intermédiaire par la tige de manoeuvre ; une liaison de la dite chambre avec la canalisation de gaz à pression asservie. 6. - Application dtun ériiiateur de pression selon l'une des revendications précédentes à une installation comportant une canalisation de gaz à pression asservie du type gaz combustible et une canalisation de gaz de pilotage du type gaz comburant caractérisée par le fait que la dite installation comporte un orifice de fuite calibré du gaz comburant. 70) Application selon la revendication 6 dtun régulateur de pression à une installation dans laquelle les canalisations de gaz comburant et de gaz combustible sont associées à des sections de passage dans un rapport déterminé, caractérisée par le fait que les dites sections de passages sont déterminées pour donner à légalité des pressions un rapport des volumes des gaz correspondant à une combustion réductrice.