Brevet FR2250956A1 — publié le 19751121

L'invention concerne les appareils de chauffage. Elle a pour objet un dispositif qui permet de surmonter certaines des difficultés techniques qui, jusqu'à présent, etaient liées à ltutilisation des combustibles liquides dans les appareils dont la puissance est faible ou moyenne, appareils qui sont surtout destinés à des usages domestiquesO Les brûleurs dont ces appareils sont habituellement pourvus peuvent Xetre classes en deux types : celui des bradeurs à pulvérisation et celui des bradeurs à vaporisation. Les premiers équipent notamment 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, si bien que des suies se déposent dans la chaudière et le conduit de la cheminée. Les bradeurs du second tgpe sont soit des brüleurs statiques, appelés haleurs à caléfaction, soit des bradeurs dynamiques, à jet tournant. Ils sont pratiquement 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 bradeurs fonctionnent avec un excès d'air tel qutune fraction importante de la chaleur entraSnee par les gaz de combustion ne peut pas être récupérée. Il en-résalte que le rendement des appareils qui utilisent un combustible liquide pour le chauf- fage domestique atteint rarement 85 % avec un brûleur à pulvérisation, et tout au plus 70 % avec un bradeur à caléfaction. L'invention a donc pour objet un dispositif qui permet de brûler sans excès d'air ou avec un exces d'air très réduit un combustible liquide en produisant une flamme rigoureusement non-eclairante, dispositif dont le fonctionnement est pratiquement silencieux. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comprend: - un evaporateur approprié pour vaporiser le combustible avant l'in- troduction de ce combustible dpns un brûleur spécial, - un bradeur spécial dans lequel un éjecteur utilisant lténergie cine- tique d'un jet d'air comprime aspire le combustible préalablement vaporise, ainsi que de l'air prélevé directement sur ltair ambiant par des ouvertures menagees à cet effet dans ledit dispositif, de manière à former å l'interieur de ce bradeur un mélange d'air et de combustible vaporisé contenant une proportion d'air appropriée - et des moyens appropriés pour fournir l'air comprimé au brûler. Cedisspo8itif peut comprendre en outre tous moyens de contrôle et de régulation appropries, connus en eux-memes. Il est caractérisé en outre par le fait que le bradeur lui-meme comprend : - un conduit pour l'introduction du combustible préalablement vaporise, - un conduit pour l'introduction de l'air comprimé, - un éjecteur qui, en utilisant l'air comprimé comme fluide moteur, est agence pour aspirer et refouler dans un diffuseur, avec l'air moteur, le combustible vaporisé et ltair prélevé sur Flair ambiant, - des moyens appropriés, constituant la bouche du brûleur, assuJettis à l'extrémité du diffuseur, pour maintenir la flamme à l'exterieur de celui-ci. Bes ouvertures à travers lesquelles est aspiré un débit approprie d'air sont disposées de manière à établir une communication entre ltair ambiant et une zone où règne une dépression à l'interieur de l'appareil. De preférence, ces ouvertures sont réglables. L'évaporateur, le bradeur, les ouvertures par lesquelles de l'air est prélevé directement sur l'air ambiant, et les moyens qui fournissent de l'air comprimé au bradeur coopèrent entre eux de telle façon que le mélange d'air et de combustible vaporisé qui arrive à la bouche du bradeur contienne une proportion d'air appropriée, Celle-ci est genéralement comprise entre la moitie et le double de la proportion stoechiométrique Cette proportion d'air peut Xetre notablement inférieure à la proportion stoechiometrique si la flamme brûle à ltair libre, ou dans une enceinte bien aérée, où elle prend le complément d'air né-ces- saire à la combustion, par exemple dans le foyer de certains chauffeeau ou de certains poêles. La proportion optimale d'air dans le mélange qui sort de la bouche du bradeur peut dans ce cas être comprise entre 8Q % et 100 % de la proportion stoechiométrique. Par contre, la proportion d'air contenue dans le mélange sortant de la bouche du brûleur doit évidemment être au moins égale à la proportion stoechiometrique 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 comprise entre 100 et 120% de la proportion stoechiométrique. L'éjecteur est un dispositif, d'ailleurs bien connu en soi, qui est constitué essentiellement par un venturi, dans la buse duquel on injecte par un gicleur un fluide moteur dont l'énergie cine- tique est utilisé pour pomper un autre fluide. Dans L'éjecteur dont est pourvu le bradeur, le fluide moteur est l'air comprimé, le fluide pompé comprend le combustible préalablement vaporise et l'air aspiré à travers le6 ouvertures prévues à cet effet. L'éjecteur est calcule 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 consommée par la combustion stoechiométrique du combustible. L'éjecteur dont le brûleur est pourvu peut être un éjecteur à un étage ou un éjecteur à plusieurs étages. Tout homme de l'art normalement exerce est en mesure de calculer les dimensions de ltéjecteur et la pression de l'air moteur qui, dtune part, sont nécessaires pour délivrer à la bouche du bradeur le mélange 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 reppeler que les paramètres qui gouvernent le fonctionnement de ltéjecteur sont liés théoriquement, en première approximation, par les relations suivante6 : n1 v1 = (m1 + m') v2 m1/t = v1 s M dans lesquelles m1 et v1 sont respectivement la masse et la vitesse de l'air moteur sor tant du gicleur, m' est la masse des gaz pompes, V2 est la vitesse du mélange gazeux dans le diffuseur, s est l'aire intérieure de la section droite du gicleur, à son extrémité, E est la surpression sous laquelle Flair moteur est fourni au gicleur, o est la masse volumique de l'air dans les conditions de tempé J rature et de pression régnant dans le gicleur, k est un coefficient sans dimensions. En outre, la nécessité d'obtenir une combustion satis faisante impose les deux contraintes suivantes : - pour que le combustible brûle compllement en produisant une flamme parfaitement bleue, il faut que le mélange gazeux qui sort de la bou che du bradeur 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 ltintérieur du diffuseur il faut et il suffit que v2 soit plus grande que la vitesse de propagation de la flamme, Celle-ci peut betre de 0,5 à 2 mètres/seconde environ. La surpression sous laquelle l'air comprimé est fourni au gicleur ntest 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 drutiliser une très forte surpression et, corrélativement, un très faible débit. La surpression de l'air moteur est comprise, de préférenee, 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 décroehe pas. La bouche du bradeur peut betre constituée comme celle d'un quelconque bradeur à gaz. Elle peut comporter notamment une grille métallique ou un bec papillon, ou une rampe percée de petites ouverture6, etc... les uns ou les autres étant assujettis à ltextremité 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 toute pompe ou de tout compreseeur usuels appropriés, centrifüges, à palette, à membrane, à piston, etc..., action nés électriquement. Puisque la surpression que lton imprime à l'air est très faible, le fonctionnement du générateur d'air comprimé est peu bruyant. Néanmoins, le conduit dsadmission de ce générateur peut être pourvu d'un silencieux. On peut aussi intercaler entre ce générateur 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 entre effectuée au moyen de tout évaporateur ou bouilleur approprié. Un tel bouilleur consiste essentiellement en une enceinte qui reçoit d'une part le combustible liquide au débit correspondant à la puissance de chauffe désirée, et qui reçoit, d'autre part, le flux de chaleur nécessaire pour évaporer le combustible. Le combustible peut être introduit dans le bouilleur par l'intermédiaire d'une cuve à niveau constant ou d'une pompe à débit réglable. Be bouilleur est pourvu de moyens de chauffage appropriés. Ces moyens sont de préférence des moyens électriques comportant notamment un système de résistances électriques.Un conduit, par l'intermédiaire duquel le combustible vaporisé est aspiré, raccorde le sommet de ltévaporateur au braleur, Ce conduit peut betre pourvu de moyens permettant dty introduire un certain débit dtun gaz approprié, par exemple de l'air ou des gaz de fumée, ou un gaz combustible pour diluer les vapeurs du combustible en amont du braleur, 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-oil domestique, mélange dthydrocarbures distillant environ entre 150 et 4000C, subirait un craquage thermique, donnant naissance à des goudrons, stil 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 ltévaporateur soit aussi faible que possible. Une variante préférée de l'invention est caractérisée par le fait que l'évaporateur est du type décrit dans la demande de brevet franchais N 75-28.759. Un évaporateur de ce type satisfait pleinement aus conditions requises et est parfaitement adapté aux fonctions qui lui sont imparties dans ce dispositif. L'évaporateur peut avantageusement comporter des moyens permettant d'y introduire un courant d'un gaz approprié qui dilue les vapeurs du combustible et est pompé avec celles-ci par ltéjecteur du brAleurO Ce gaz peut Entre un gaz non-oxydant quelconque. On peut utiliser, par exemple, des gaz de combustion prélevés dans le conduit d'évacuation des fumées du foyer, pourvu que ces gaz ne contiennent pas d'oxygène ou n'en contiennent qu'une proportion minime.On peut aussi utiliser un gaz combustible, tel que le gaz naturel ou des gaz de pétrole; dan ce ca , le gaz combustible e t brûlé en mélange avec le combustible liquide vaporisé, Be balayage de l'évaporateur par un gaz abaisse la pression partielle des vapeurs du combustible liquide, et, par suite, réduit les risques de voir celui-ci se condenser dans le conduit reliant l'évaporateur au brûleur, ou dans le corps du brûleur lui-même. En outre, ce baleyage peut permettre d'évaporer le combustible liquide à une température notablement inférieure à sa température d'ébullition. Be dispositif, objet de l'invention, peut être 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 l'incandescence, ou générateur d'étincelles, par exemple), la mise en circuit au chauffage de l'évaporateur et enfin celle du générateur d'air comprime. Be même système de rsulation interrompra le fonetionne- ment 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 ltextinction de la flamme. De préférence, le dispositif est pourvu de moyens ap- propriés connus en eux-memes, 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 peut sse 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 ltexception de celles qui sont expressément mentionnées, pour limiter la portée de lsinvention. La figure 1 est un schéma de llensemble du dispositif. L'éjecteur est l'ensemble constitué par le gicleur 1, la buse 2 et la chambre de mélange 3. Be ventilateur 4 (ou tout autre moyen techniquement équivalent) fournit de l'air comprimé au gicleur par ltintermédiaire du conduit 5. Un flux d'air emprunté à ltair ambiant est aspiré, à travers les ouvertures 6, dans la chambre de mélange 3 de ltéjecteur. Il y rencontre le combustible qui, préalablement vaporisé dans le bouilleur 7, est aspiré dans la chambre de mélange par l'intérmédiaire 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 techniquement équivalent). Be 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 bradeur 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 brA- leur dans une autre variante de l'invention. Cette variante est carac térisee par le fait que le bradeur est pourvu d'un éJecteur à deux étages, conportant deux chambres de mélange distinctes. Ee premier étage utilise l'air comprimé comme fluide moteur pour pomper le combustible vaporisé, le second aspire un flux d t air à travers les orifices 6, en utilisant comme fluide moteur le mélange gazeux qui est refoulé par le premier étage. Ea figure 3 est un autre schéma partiel du dispositif, représentant llévaporateurX dans une variante de ltinventionO Cette variante est caractérisée par le fait que l'évaporateur est du type de celui qui est décrit dans la demande de brevet français n 73-28.759. Une cuve à 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'interieur du bouilleur, dont ils occu peni la majeure partie de la hauteur et du volume. Entre la surface externe des moyens de chauffage et la surface interne du bouilleur, l'espacement est suffisamment réduit pour que, pendant llébullition, le mouvement ascensionnel des bulles entratne le liquide rapidement et le fasse déborder au sommet du bouilleur.Dans le séparateur 17, le combustible vaporisé et le liquide entraSné sont séparés. Les vapeurs sont extraites du séparateur par le conduit 10 tandis que le liquide ayant traversé le bouilleur retombe dans la réserve. La figure 4 est un schéma d'ensemble représentant une variante de l'invention caractérisée par le fait que ltévaporateur e t pourvu de moyens permettant dlétablir un balayage des vapeurs par un courant de gaz. Ce gaz est admis dans l'evaporateur par le conduit 20, est mis en contact avec le combustible liquide et est enfin pompé par L'électeur du bradeur avec les vapeurs de ce combustible. L'évaporateur représenté sur la figure 4 est un évaporateur à couche mince, dont le fond 21 est chauffé uniformément par des moyens appropriés (non représentés).Une cuve à niveau constant (non représentée) permet d'introduire le combustible liquide par le conduit 13 et de maintenir sensiblement constant ltépaisseur de~la couche de liquide au fond de llévapora- teûr. Le dispositif qui est llobjet de l'invention permet d'ob tenir en bralant, par exemple, du fuel-oil domestique, une flamme identique à celle que l'on obtient d'ordinaire en brulant du propane, ou du butane ou du gaz naturel, etc... Il permet de brAler tout combustible liquide qui distille 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 combustiblesplus volatils que celui-ci, comme le pétrole lampant, ou ltessence, pourvu que lton adapte les caractéristiques de ltévaporateur à celles du combustible choisi. ta présente invention a aussi pour objet un appareil de chauffage équipé du dispositif décrit plus haut. Par exemple, ce dispositif peut entre utilisé dans des radiateurs pour le chauffage des locaux d'habitation. Il peut entre utilisé dans des chauffe-bains, des chauffe-eau, des cuisinières à mazout, et plus particulièrement dans des chaudières de chauffage central. Exemple - La figure 5 représente schématiquement un exemple de dispossitif selon l'invention. Dans cet exemples lléjecteur du bradeur est à deux étages et comporte deux chambre de mélange distinctes 18 et 19. L'évaporateur est l'une des variantes de celui qui est décrit dans la demande de brevet n 75-28.759. 1a chambre d'ébullition 15 de ltévaporateur est un cylindre 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 dtune résistance électrique (non représentée par le schéma) déli- vrant une puissance dè 110 W. Le fuel-oil est introduit dans la réserve 14, par ltintermédiaire d'une cuve à niveau constant, non représentée, ss 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 l/h et 100 l/h, sous une surpres- sion comprise, respectivement, entre 90 et 50 millibars par rapport à la pression atmosphérique. 1a bouche du bradeur, 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 fueloil domestique au débit de 250 g/h. Les caractéristiques de ce fuel-oil étaient les suivantes : - densité o,8z7 - viscosité 3,60 cSt à 20 C - distillation ASTI: 0% (volume) distillé à 175 C 50% " " " 260 C 90% " " " 353 C Le débit total de l'air admis dans le brûleur correspon- dait sensiblement à la combustion Etoechiométrique du fuel-oil. La flamme produite était parfaitement bleue et le fonctionnement de l'appa- reil était pratiquement silencieux, Après des essais de fonctionnement de longue durée, l'appareil n'était pas encrassé. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif pour brûler dans les appareils de chauffage un combustible liquide, en particulier un fuel-oil domestique, le présent dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend : - un évaporateur approprié pour vaporiser le combustible, à l'abri de l'air, avant ltintroduction de ce combustible dans un brûleur spécial, - un bradeur spécial dans lequel un éjecteur utilisant l'énergie cine- 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 ouvertures ménagées à cet effet dans ledit dispositif, de manière à former à l'intérieur du brûleur un mélange d'air et de combustible vaporisé contenant une proportion d'air appropriée, - des moyens appropriés pour fournir ltair comprimé au brtleur. Le présent dispositif est aussi caractérisé par le fait que le bradeur comprend : - un conduit pour l'introduction du combustible préalablement vapo risé, - un conduit pour l'introductión de l'air comprimé, - un éjecteur qui, en utillsant ltair comprimé comme fluide moteurs est agencé pour aspirer et refouler dans un diffuseur avec l'air moteur, le combustible vaporisé et Flair prélevé sur l'air ambiant, - des moyens appropriés, constituant la bouche du bradeur, assuJettis à ltextremité-du diffuseur, par maintenir la flamme à llextérieur de celui-ci. Ce dispositif peut en outre comprendre tous moyens de contrôle 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 bradeur, un mélange d'air et de combustible vaporisé contenant une proportion d'air comprise entre 80 % et 120 % de la proportion toechiométrique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 et dans lequel ] léjecteur du bradeur 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 ltévaporateur 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 bradeur 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 ssur l'air ambiant en utilisant comme fluide moteur le mélange gazeux refoulé par le premier étage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et dans lequel l'air comprimé est fourni au gicleur de ltéjecteur SOU8 une surpression de 10 à 300 millibars par rapport à la pression atmos phérique. 6. Dispositif selon Alune quelconque des revendications 1 à 5, et dans lequel ltévaporateur 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 l'intérieur du bouil leur, dont ils occupent la majeure partie de la hauteur et du vo lume; entre la surface externe des moyens de chauffage et la paroi du bouilleur, ltespacement est suffisamment réduit pour que, pen dant ltébullition1 le mouvement ascensionnel des bulles entrasse 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 entraSnéi la vapeur est extraite du séparateur et le li-quide ayant traversé le bouilleur est recyclé dans la réserve. 70 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et dans lequel le conduit amenant à ltéjecteur du brûleur le combustible vapo risé est pourvu de moyens permettant d'ajouter à celui-ci un certain débit d'un gaz approprié. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendicatipns 1 à 7, et dans lequel llévaporateur comporte des moyens permettant d'y-introduire un courant dtun gaz non-oxydant. 9. Appareil de chauffage équipé du dispositif défini par l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Chaudière de chauffage central équipé du dispositif défini par l'une quelconque des revendications 1 à 8.