Brevet FR2257063A1 — publié le 19750801

L'invention concerne l'industrie des appareils de chauffage. Elle a pour objet un dispositif qui permet de surmonter certaines des difficultés techniques qui, jusqu'à present,etaient liées à l'utilisation des combustibles liquides dans les appareils dont la puissance est faible ou moyenne, appareils qui sont surtout destinés a' des usages domestiques. Les brûleurs dont ces appareils sont habituellement équipes peutent être classés en deux types : celui des brûleurs à pulvérisation et celui des brûleurs à caléfaction. Les premiers équipent les chaudières de chauffage central. Ils sont bruyants ; en général, l'intensité du bruit qu'ils émettent- est de l'ordre de 72 dB(B) à la distance d'un mètre. Bien qu'ils se prêtent à un réglage assez fin, ils produisent une flamme qui est toujours plus ou moins éclairante et qui encrasse peu à peu la chau dière. Les seconds sont silencieux, mais on ne peut les régler que de façon grossière. Il est difficile d'éviter qu'ils ne produisent une flamme fuligineuse. Lorsqu'on les allume ou les éteint, ils fument abondamment.Ces deux types de brûleurs fonctionnent avec un excès d'air tel qu'une fraction importante de la chaleur entraînée par les gaz de combustion ne peut pas être récupérée. L invention a donc pour objet un dispositif dont le fonctionnement est pratiquem#ent silencieux, qui permet de brûler sans excès d'air ou avec un excès d'air très réduit un combustible liquide an produisant une flamme rigoureusement non-éclairante. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu#'il comprend - un évaporateur approprié pour vaporiser le combustible, à l'abri de l'air, avant l'introduction de ce combustible dans un brûleur spécial, - un brûleur spécial dans lequel un éjecteur utilisant l'énergie ciné tique d'un jet d'air comprimé aspire le combustible préalablement vaporisé, ainsi que de l'air prélevé directement sur l'air ambiant par des orifices ménagés à ce9r effet, de manière à former à l'intérieur de ce brûleur- un mélange d'air tet de combustible vaporisé contenant une proportion d'air qui soit du même ordre de grandeur que la proportion stoechiométrique, - des moyens appropriés pour fournir 1'air comprimé au brûleur. Ce dispositif peut comprendre en outre inis moyens de contrôle et de régulation appropriés, connus en eux-mêmes. Le brûleur lui-même comprend - un conduit pour l'introduction du combustible préalablement vaporisé, - un#conduit pour l'introduction de l'air comprimé, - un éjecteur qui, en utilisant l'air comprimé comme fluide moteur, est agencé pour aspirer et refouler dans un diffuseur, avec l'air#e#ur1 le combustible vaporisé et l'air prélevé sur l'air ambiant, - des moyens appropriés, constituant la bouche du brûleur, assujettis à l t extrêmité du diffuseur, pour maintenir la flamme à l'extérieur de celui-ci. Les orifices à travers lesquels est aspiré un débit approprié d'air sont disposés de manière à établir une communication entre l'air ambiant et une zone où règne une dépression à l'intérieur de l'appareil. De -préférence, l'ouverture de ces orifices est réglable. L'évaporateur, le brûleur, les orifices par lesquels celuici aspire de l'air prélevé directement sur l'air prélevé directement sur l'air ambiant, et les moyens qui fournissent de l'air compris au brûleur coopèrent entre eux de telle façon que le mélange d'air et de combustible vaporisé qui arrive à la bouche du brûleur contienne la proportion d'air appropriée. Cette proportion d'air peut être notablement inférieure à la proportion stoechiométrique si la flamme brûle à l'air libre, ou dans une enceinte bien aérée, où elle prend le complément d'air nécessaire à la combustion, par exemple dans le foyer de certains chauffe-eau ou de certai;ns'po#les. La proportion optimale d'air dans le mélange qui-sort de la bouche du brûleur est alors comprise, ordinairement, entre 80% et 100% de la proportion stoechiométrique. Par contre, la proportion d'air contenue dans le mélange sortant de-la bouche du brûleur doit évidemment etre au moins egale à la proportion stoechiométrique si la flamme brûle dans une enceinte qui ne reçoit pas d'air frais, par exemple dans le foyer d'une chaudière. La proportion optimale d'air peut dans ce cas être emprise entre 100 et 120% de la proportion stoechiométrique. L'éjecteur est un dispositif, d'ailleurs bien connu en soi, qui est cons#titué essentiellement par un venturi, dans la buse duquel on injecte par un gicleur un fluide moteur dont l'énergie cinétique est utilisée pour pomper un autre fluide. Dans l'éjecteur dont est pourvu le brûleur, le fluide moteur est l'air comprimé, le fluide pompé est le combustible préalablement vaporisé et additionné d'air. L'éjecteur est calculé pour pomper le débit voulu de combustible et d'air, en utilisant une quantité d'air comprimé au plus égale et, de préférence, très inférieure à celle# qui est onsommée par la combustion stoechiométrique du combustible. L'éjecteur dont le brûleur est pourvu peut astre un éjecteur à un étage ou un éjecteur à plusieurs étages. Tout homme de l'art normalement exercé est en mesure de calculer les dimensions de éjecteur et la pression de l'air moteur qui, d'une part, sont nécessaires pour délivrer à la bouche du brûleur le mélang#e d'air et de-combustible au débit voulu, compte tenu de la puissance thermique désirée, et qui, d'autre part, sont nécessaires pour imprimer à ce mélange une vélocité telle que la-flamme s'accroche convenablement à la bouche du brûleur. ~~ Il suffit de rappeler que les paramètres qui gouvernent le fonctionnement-de ltéjecteur sont liés théoriquement, en première appro-- ximation, par les relations suivantes : mu vu v-= (m1 f m' + mc) v2 @@1 = v1 S dt -dans lesquel m1 et v1 sont respectivement la masse et la vitesse de l'air moteur sor tant du gicleur, m' et mc sont les masses#respectives-de l'air et du combustible pompés, est est ia vitesse du mélange gazeux dans le diffuseur, S est l'aire intérieure de la section droite du gicleur, à son extrêmité, p est la surpression sous laquelle l'air moteur est fourni au - gicleur, est la masse volumique de l'air dan#s les conditions de tempéra ture et de pression régnant dans le gicleur, k est un-coefficient sans dimensions. - En outre, la nécessité d'obtenir une combustion satisfai sante impose les deux contraintes suivantes - pour que le combustible brûle complètement:en produisant une flamme parfaitement bleue, il faut que-le mélange gazeux qui sort de la bouche du brûleur contienne la-proportion d'air appropriée, compte tenu de-la nature du combustible et de ltenvironnement de la flamme, - pour que la flamme ne pénètre pas à l'intérieur du diffuseur il faut et il suffit que v2 soit plus grande que la vitesse de propagation de la flamme. Celle-ci est environ de 1 à 2 mètres/seconde. La surpression sous laquelle l'air comprimé est fourni au gicleur n'es nullement critique. Une surpression comprise entre 10 et 300 millibars, par rapport à la pression atmosphérique, convient en général. Une surpression très faible obligerait à utiliser un débit d'air moteur excessif. A l'inverse, il n'est pas avantageux d'utiliser une très forte surpression et, corrélativement, un très faible débit. Là surpression de l'air moteur est comprise, de préférence, entre 20 et 200 millibars. La bouche du brûleur est aménagée pour produire une perte de charge telle que le mélange gazeux qui en sort ait une vélocité inférieure à la vitesse de propagation de la flamme, afin que celle-ci ne se décroche pas. La-bouche du brûleur peut être constituée comme celle d'un quelconque brûleur à gaz. Elle peut etre faite notamment d'une grille métallique ou faite d'un bec papillon, ou d'une rampe percée de petites ouvertures, etc.. les uns ou les autres étant assujettis à l'extrêmité du diffuseur au moyen, par exemple, d'une virole. L'air qui sert de fluide moteur peut être amené à la pression désirée- au moyen de tout compresseur usuel approprié, axial, cantrifuge, à palette, à membrane, à piston, etc.. actionné électriquement. Puisque la surpression que llon imprime à l'air est trèsfaible, le fonctionnement du compresseur est peu bruyant. Néanmoins, le conduit d'admission du compresseur peut être pourvu d'un silencieux. On peut aussi intercaler entre le compresseur et le brûleur, un réservoir d'air destiné à amortir les vibrations et les pulsations du compresseur. La pression de l'air peut éventuellement être réglée au moyen d'un détendeur. La vaporisation du combustible peut etre effectuée à l'abri de l'air au moyen de tout évaporateur ou bouilleur approprié.Un tel bouilleur consisté essentiellement en une enceinte qui reçoit d'une part le combustible liquide aux débit correspondant à la puissance de chauffe désirée, et qui reçoit,d'autre part, le flux de chaleur nécessaire pour porter le combustible à ébuliition et le vaporiser. Xe combustible peut Xetre-introduit dans le bouilleur par l'intermédiaire d'une cuve à niveau constant. Le bouilleur est pourvu de moyens de chauffage appropriés. Ces moyens peuvent être constitués, par exemple, par un système de résistances électriques. Uiconduit, par l'intermédiaire duquel le combustible vaporisé est aspiré, raccorde le sommet de l'évaporateur au brûleur. Ce conduit peut-#tre pourvu de moyens appropriés, permettant d'y introduire un certain débit d'air, ou de gaz de combustion, ou d'y recycler une fraction du mélange prélevé dans le diffuseur du brûleur, pour ajouter ces gaz au courant de combustible vaporisé. En effet, il peut être utile d'augmenter ainsi le débit des gaz pompés par l'éjecteur pour améliorer le fonctionnement de celui-ci. Il est souhaitable que le temps de séjour moyen du combustible dans le bouilleur soit aussi bref que possible. Un combustible peu volatil, tel que le fuel domest#ique, mélange d'hydrocarbures distillant environ entre 1500et 4000cl subirait un craquage thermique, donnant naissance à des goudrons, s'il séjournait trop longtemps dans le bouilleur. Celui-ci doit donc être de faible volume, et le liquide doit y circuler rapidement. Il est souhaitable aussi que la capacité calorifique de l'évaporateur soit aussi faible que possible. Par exemple, un évaporateur du type de celui qui est décrit dans la demande de brevet français n0 7328.759 satisfait pleinement à ces conditions. Le bouilleur est chauffé, de préférence, électriquement. Le dispositif, objet de l'invention, peut etre pourvu de tous moyens de contrôle et de régulation appropriés, connus en eux-mêmes. On peut adopter le régime de fonctionnement du type tout ou rien. Par exemple, la mise en fonctionnement peut être commandée électriquement par un thermostat d'ambiance, dont le signal déclanche successivement, par l'intermédiaire de relais électriques et de temporisateurs, la mise en circuit d'un allumeur électrique disposé près de la bouche du brûleur pour enflammer le mélange gazeux (résistance portée à 1 'incan- descence, ou-générateur d'étincelles, par exemple), la mise en circuit du chauffage de l'évaporateur et enfin celle du générateur d'air comprimé. Le merme système de régulation interrompra le fonctionnement du dispositif, le thermostat- d'ambiance commandant successivement la mise hors circuit du chauffage du bouilleur, puis la mise hors circuit du générateur d'air comprimé Si ces opérations sont convenablement programmées, au moyen de temporisateurs ajustés à cet effet, aucune émission de fumée ou de vapeurs d'hydrocarbures ne se produit lors de l'allumage ou de l'extinc- tion de la flamme. De préférence, le dispositif est pourvu de moyens appropriés connus en eux-m & es, pour assurer la sécurité de son fonctionnement. Plus précisément, le non-fonctionnement de l'allumeur ou du générateur d'air comprimé pourra, par l'intermédiaire de moyens électriques appropriés, interdire la mise en circuit du chauffage du bouilleur. Pour mieux comprendre la présente description, on ss ut se reporter aux dessins qui lui sont annexés. Ces dessins sont des schémas de principe. Il va de soi que l'on ne saurait tirer argument des particularités des dessins, à l'exception de celles qui sont expressément mentionnées, pour limiter la portée de l'invention La figure 1 est un schéma de l'ensemble du dispositif. éjecteur est l'ensemble-constitué par le gicleur 1,# la buse 2 et la chambre de mélange 3. Le ventilateur 4 (ou tout autre moyen techniquement équivalent) fournit de l'air comprimé au gicleur par l'intermédiaire du conduit 5. U#lux d'air emprunté à l'air ambiant est aspiré, à# travers les orifices 6, dans la chambre de mélange @ de l'éjecteur. Il y rencontre le combustible qui, préalablement vaporisé dans le bouilleur 7, est aspiré dans la chambre de mélange par l'intermédiaire du conduit 10. Le mélange gazeux est refoulé dans le diffuseur 11 et s'échappe de la bouche du brûleur à travers la grille 12 (ou à travers tout autre moyen techni ment équivalent). Le dispositif, tel qu'il est représenté par la figure 1, peut être considéré comme l'une des variantes de l'invention, cette variante étant caractérisée par le fait que le brûleur est pourvu d'un éjecteur à un étage et par le fait que les orifices 6 sont disposés de manière à établir une communication directe entre l'air ambiant et la chambre de mélange de cet éjecteur. La figure 2 est un schéma partiel représentant le brûleur dans une autre variante de l'invention. Cette variante est caractérisée par le fait que le brûleur est pourvu d'un éjecteur à deux étages, comportant deux chambres de mélange distinctes. Le premier étage utilise l'air comprimé comme fluide moteur pour pomper le combustible vaporisé, le second aspire un flux d'air à travers les orifices 6, en utilisant comme fluide moteur le mélange gazeux qui est refoulé par le premier étage. La figure 3 est pn autre schéma partiel du dispositif, représentant l'évaporateur, dans une variante de l'invention. Cette variante est caractérisée #par le fait que l'évaporateur est du type de celui qui est décrit dans la demande de brevet français n0 73-28.759. Une cuve å niveau constant (non représentée), raccordée à un conduit 13 permet d'introduire le combustible et de le maintenir à un niveau sensiblement constant dans une- réserve 14, communiquant par le bas et par le haut avec un bouilleur 15, de forme haute. Des moyens de chauffage appropriés 16 sont' disposés à l'intérieur du bouilleur, dont ils occupent la majeure partie de la hauteur et du volume. Entre la surface externe des moyens de chauffage et la paroi interne du bouilleur, l'espacement est suffisamment réduit pour que, pendant l'ébullition, le mouvement ascensionnel des bulles entraSne le liquide rapidement et le fasse déborder au sommet du bouilleur. Dans le séparateur 17, le comb#ustible vaporisé et le liquide entraîné sont séparés.Les vapeurs sont extraites du séparateur par le conduit 10 tandis que le liquide ayant traversé le bouilleur retombe dans la réserve. Le dispositif qui est objet de l'invention permet d'obtenir en brûlant, par exemple, du fuel-oil domestique, une flamme identique à celle que lton obtient d'ordinaire en brûlant du propane, ou du butane, ou du gaz naturel, etc.. Il permet de brûler tout combustible liquide qui distine en ne laissant pratiquement pas de résidu et qui,- à des températures inférieures à son point d'auto-inflammation, a une tension vapeur suffisante pour qu'on puisse le mélanger en phase vapeur avec de l'air, de manière à obtenir un mélange gazeux contenant une proportion de combustible au moins égale à la proportion stoechiométrique.Outre le fuel domestique, - le dispositif peut donc brûler des combustibles plus volatils que celui-ci, comme le pétrole lampant, ou l'essence, pourvu que l'on adapte les caractéristiques de 11 évaporateur à celles du combustible choisi. La présente invention a aussi pour objet un appareil de ehauffage equipé du dispositif décrit plus haut. Par exemple, ce dispositif peut être utilisé dans des radiateurs pour le chauffage des locaux d'habitation. n peut être utilisé dans dés chauffe-bains, des chauffe-eau, des cuisinières à mazout, et plus particulièrement dans des chaudières de chauffage central. Ce mode de chauffage présente sur le chauffage au gaz divers avantages techniques : absence de réseau de distribution, sécurité accrue, etc.. Exemple.- La figure 4 représente schématiquement un dispositif qui a été utilisé pour faire brûler du fuel-oil domestique. Ce dispositif est caractérisé notamment par les points suivants - l'éjecteur du brûleur est à deux étages, comportant deux chambres de mélange distinctes 18 et 19, - une fraction du courant gazeux qui parcourt le diffuseur 11 est recy clée, par l'intermédiaire du conduit 20, dans la chambre de mélange du premier étage de l'éjecteur, - l'évaporateur est l'une-des variantes de celui qui est décrit dans la demande de brevet n0 73-28.759. La chambre d'ébullition 15 de l'évaporateur est uncylindre de révolution dont le diamètre intérieur est de 14 mm et la hauteur de 80 mm. L'élément chauffant 16 est un plongeur cylindrique dont le diamètre extérieur est de 10 mm. Il est chauffé intérieurement au moyen d'une résistance électrique (non représentée par le schéma) délivrant une pui-ssance de 110 W. Le-fuel-oil-est introduit dans la réserve 14, par l'intermédiaire d'une cuve à niveau constant, non représentée, et du conduit 13. L'air comprimé introduit par le conduit 5 est délivré par une pompe actionnée électriquement;et consommant une puissance de 5 W. Le débit de cet air, ramené aux conditions normales de température et de pression, est compris entre- 100 lfih et 180 lfih, sous une surpression comprise, respectivement, entre 90 et 50 millibars par rapport à ta pression atmosphérique. La bouche du brûleur, dont la surface est de 10 cm2, est pourvue d'une grille 12, dont les orifices ont une surface totale de 6cm2. En utilisant ce dispositif, on a fait brûler du fuel-oil domestique au débit de 250 g/h. Les caractéristiques de ce fuel-oil étaient les suivantes - densité 0,827 - viscosité 3,6O cSt à 200C - distillation ASTM : 10% (volume#) distillé à 1750C 50% n ,t 260 C 90% " " rr 3530C Le débit total de Itair admis dans le brûleur correspondait sensiblement à la combustion stoechiométrique du fuel-oil. La flamme produite était parfaitement bleue et le fonctionnement de l'ap- pareil était pratiquement silencieux. Après des essais de fonctionnement de longue durée, l'ap- pareil n'était pas encrassé. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour brûler dans les appareils de chauffage un combustible liquide, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend - un évaporateur approprié pour vaporiser le combustible, a' l'abri de l'air, avant l'introduction de ce combustible dans un brûleur spécial, - un brûleur spécial dans lequel un éjecteur utilisant l'énergie cinétique d'un jet d'air comprimé aspire le combustible préalable ment vaporisé, ainsi que de l'air prélevé directement sur l'air ambiant, par des orifices ménagés à cet effet, de manière à former à l'intérieur du brûleur un mélange d'air et de combustible vapo risé contenant une proportion d'air qui soit du même ordre de grandeur que la proportion stoechiométrique, - des moyens appropriés pour fournir l'air comprimé au brûleur, et que ledit brûleur comprend - un conduit pour l'introduction du combustible préalablement vapo risé, - un conduit pour l'introduction de l'air comprimé, - un éjecteurqui,# en utilisant l'air comprimé comme fluide moteur, est agencé pour aspirer et refouler dans un diffuseur avec l'air moteur, le combustible vaporisé et l'air prélevé sur l'air ambiant, - des moyens appropriés, constituant la bouche du brûleur, assujettis à l'extrêmité du diffuseur, pour maintenir la flamme à l'extérieur de c#elui-ci, Ce dispositif peut en outre comprendre tous moyens de con twôle et de régulation appropriés, connus en eux-mêmes. 2. Dispositif selon la revendication 1 et dont les organes coopèrent de façon à délivrer, à la bouche du brûleur, un mélange d'air et de combustible vaporisé contenant une proportion d'air comprise entre 80% et 120% de la proportion stoechiométrique. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 et dans lequel l'éjecteur du brûleur est un éjecteur à un étage, dont la chambre de mélange communique d'une part avec-l'air ambiant par des orifices ménagés à cet effet, et d'autre part, avec l'évaporateur par l'intermédiaire du conduit amenant le combustible vaporisé. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, et dans lequel l'éjecteur du brûleur est un éjecteur à deux étages, le premier étage utilisant l'air comprimé comme fluide moteur pour pomper le combustible vaporisé, le second étage aspirant l'air prélevé direc tement sur l'air ambiant en utilisant comme fluide moteur le mélange gazeux refoulé par le premier étage. 5. Dispositif selon Brune quelconque des revendications 1 à 4 et dans lequel l'air comprimé est fourni au gicleur de l'éjecteur sous une surpressfon de 10 à 300 millibars par rapport à la pression atmos sphérique 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et dans lequel l'évaporateur est constitué par - une réserve dans laquelle le liquide à vaporiser est maintenu à un niveau sensiblement constant, - un bouilleur, de forme haute, distinct de la réserve et ne commu niquant avec celle-ci que par le bas et par le haut, - des moyens de chauffage appropriés disposés à 1 'intérieur du bouif leur, dont ils occupent la majeure partie deux la hauteur et du vo lume ; entre la surface externe des moyens de chauffage et la paroi du bouilleur, l'espacement est suffisamment réduit pour que, pen dans l'ébullition, le mouvement ascensionnel des bulles entrain le liquide rapidement et le fasse déborder au sommet du bouilleur, - un séparateur, qui communique avec le haut de la réserve et avec le haut du bouilleur, et dans lequel la vapeur issue du bouilleur est séparée du liquide qu'elle a entra#né ; la vapeur est extraite du séparateur et le liquide ayant traversé le bouilleur est recyclé dans la réserve. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications il à 6 et dans lequel le conduit amenant à l'éjecteur du brûleur le combustible vapo risé est pourvu de moyens permettant d'ajouter à celui-ci de l'air, ou des gaz de combustion, ou d'y recycler une fraction du mélange prélevé dans le diffuseur du brûleur. 8. Appareil de chauffage équipé du dispositif défini par l'une quelconque des revendications 1 à 7.