Brevet FR2339134A1 — publié le 19770819

La présente invention se rapporte à un brûleur à gaz à rampes de flammes, à forte puissance spécifique et à induction d'air de combustion. Pour assurer la combustion du gaz dans de bonnes conditions d'hygiène et d'efficacité thermique, il est sarorable de mélanger au gaz une quantité d'air un peu supérieure à l'air théorique de combustion de ce gaz et de provoquer une turbulence du mélange, air plus gaz, afin d'obienirFne flamme de puissance spécifique élevée et de faible volume. Actuellement, les générateurs de production de chaleur fonctionnant au gaz et appliquant ces principes sont équipés d - ou bien de brûleurs à air soufflé, c'est-à-dire de brûleur dans lequel l'air est pulsé par une turbine et est mélangé au gaz juste au niveau de la tête de combustion, la flamme étant stabilisée par divers moyens mécaniques, - ou bien de brûleurs à préma ne air-combuistit c' est-à- dire de brûleurs dans lequel l'air et le gaz sont mélangés avant leur combustion, habituellement sous pression, le mélange étant utilisé pour alimenter à distance une ou plusieurs têtes de combustion. L'une et l'autre des techniques ci-dessus mentionnées conduisent à la réalisation de textes de combustion relativement complexes, interdisant d'en prévoir un grand nombre pour répartir le flux thermique. Dans les deux cas les réalisations sont donc couteuses , nécessitent l'emploi de compresseuS d'air et éventuellement de gaz et sont dépourvues de toute souplesse d'emploi, ce qui réduit l'application de tels brûleurs à des domaines spécifiques de technologie avancée réservés à l'industrie. A côté des brûleurs ci-dessus mentionnés à puissance spécifique élevée, il existe les brûleurs à induction atmosphérique à sections de sortie cloisonnées dont la fabrication relativement simple permet Ra multiplication des pains de chauffe dans un foyer. De tels brûleurs sont couramment utilisés pour des emplois domestiques, par exemple cuisinières, chauffe-eau, chaudières à gaz pour le chauffage central et l'eau chaude sanitaire dans les immeubles. des brûleurs sont couramment disposés sous forme de rampes. Ils présentent les inconvénients d'avoir une faible puissance spécifique, de donner naissance à des flammes "molles" qui peuvent être facilement soufflées. les réglages sont délicats et ils ne peuvent en pratique fonctionner avec des rendements satisfaisants que pour un régime déterminé d'alimentation, ce qui nécessite le plus souvent une régulation par tout ou rien. Le brûleur à gaz à rampes de flammes et à induction d'air de combustion conforme à la présente invention permet de résoudre les difficultés mentionnées de l'art antérieur en créant un brûleur de construction simple, robuste, de faible encombrement, permettant de répartir à volonté le flux thermique délivré à un foyer de chauffe et donnant naissance à des flammes parfaitement stabilisées, de fortes puissances sp-etcifiques et de grande souplesse de fonctionnement. De façon plus précise, le brûleur à gaz conforme à l'invention, à forte puissance spécifique et à induction d'air de combustion se caractérisé essentiellement en ce que le gaz est distribué au brûleur sous la pression d'alimentation par une multitude d'injecteurs ou orifices calibrés, alimentés par des rampes, et orientés de façon à converger au moins deux par deux, chaque injecteur ou orifice induisant autour du jet de gaz auquel il donne naissance un courant d'air de combustion amené au voisinage dudit jet, lesdits jets de gaz et d'air induit convergeant en des points où prensent naissance, s'accrochent et se stabilisent les flammes du brûleur, à une certaine distance des parois dudit brûleur. De cette façon les points de naissance etd'accrodege des flammes forment des alignements ou rangées, d'organisation, de structure, de répartition et d'écartement que l'on peut faire varier à volonté en fonction des caractéristiques désirées du brûleur et adaptables au foyer qu'il équipe. De façon pratique l'air de combustiniest amené au brûleur par une gaine ou un répartiteur pourvu d'orifices situés dans l'axe des jets de gaz, le plan transversal desdits orifices d'air coupant les jets de gaz à une certaine distance des rampes d'alimentation de gaz. Comme il apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre de quelques modes de mise en oeuvre de l'invention, de tels brûleurs sont comme mentionné plus haut de construction très simple, de faiblie encômbrement, ont une puissance spécifique élevée et une souplesse d'emploi remarquable. leur souplesse d'emploi est telle au'elle permet d'équiper des générateurs de chaleur qui peuvent fonctionner dans n'importe quelle position, par exemple inversée, brûleurs en haut et surfacesd'échange en bas, ce qui est avantageux notamment dans le cas des appareils de production de chaleur à basse température (chaudière pour la production d'eau chaude, etc,.,), les condensats des surfaces d'échange n'occasionnant plus les inconvénients habituels dus aux retombées des eaux de condensation sur la qualité de la combustion et la détérioration corrélative des brûleurs. En outre le rendement de fonctionnement est augmenté, puisqu'en fonctionnement inversé on récupère la chaleur de condensation de l'eau formée, soit un gain de rendement qui peut atteindre 10No par rapport au même appareil fonctionnant en position normale. L'invention apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une rampe de brûleur conçu selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perpsective faite avec arrachement de la rampe vue en coupe à la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe d'une rampe assez semblable à celle de la figure 1, - la figure 4 est une vue en plan d'un brûleur à plusieurs rampes parallèles et alignements de flammes conforme à l'invention, - les figures 5, 6 et 7 sont des vues en coupe faites selon les plans respectifs V-V, VI-VI et VII-VII de la figure 4, et - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalIsation d'un brtleur particulièrement bien adapté pour équiper un foyer cylindrique. On se reportera tout d'abord au mode de réalisation B'un brûleur conforme à l'invention formant une rampe de flammes, brûleur illustré aux figures 1 et 2. Selon ce mode de réalisation le brûleur comprend essentiellement un bottier 1 formant gaine d'arrivée d'air de combustion, dans lequel boîtier sont montés deux tubes 2, 3 formant rampes d'alimentation de gaz combustible qui est distribué par une multitude d'orifices calibrés 4, 5. les axes 6, 7 des orifices calibrés 4, 5 sont orientés de façon à converger deux par deux en des points 8 au voisinage desquels prennent naissance, s'accrochent et se stabilisent les flammes 9 du brûleur à une certaine distance des parois du boîtier 1. le boîtier 1 est pourvu d'orifices d'air 10, Il qui sont situés sur les axes 6, 7 des jets de gaz provenant des injecteurs 4, 5. Les orifices 10, 11 coupent les axes 6, 7 des jets de gaz à une certaine distante r des rampes d'alimentation 2, 3 de gaz. Dans l'exemple illustré les orifices 10, Il constituent la petite base de troncs de cône 12, 13 formés dans la p-aroi du boîtier 1 sur les axes 6, 7 des jets de gaz provenant des injecteurs 4, 5. D'autre part la gaine 1 forme en regard des alignements de flammes 9 du brûleur un creux 14 qui est favorable au bon fonction- nement et au bon refroidissement de la rampe. te fonctionnement d'un tel brûleur se fait de la façon suivante. Chaque rampe 2, 3 produit par les orifices calibrés ou injecteurs 4, 5 une multitude de jets de gaz. Chaque jet provenant des orifices 4, 5 induit, à travers les orifices 10, 11 du répartiteur 1 la totalité de son air de combustion, la déformation en troncs de cône 12, 13 favorisant cette induction. Jusqu'au point de rencontre 8 le gaz et l'air induit se mélangent à vitesse rslati- vement élevée. La rencontre et l'impact au point de convergence 8 de deux jets de gaz et d'air mélangés créent à ce niveau un ralentissement et un brassage énergique du mélange qui assurent à ce niveau la stabilisation et l'accrochage de la flamme 9 qui reste ainsi éloignée des parois dWbruleuzO En prat- ue le rapport de la distance r à la distance 1 séparant 1 'injecteur du pied de la flamme 9 pourra être de l'ordre de 1/2 à 1/3 par exemple. la solution décrite permet d'obtenir une combustion de très bonne qualité à basse pression, grâce notamment à l'absence de résistance occasionnée habituellement par des stabilisateurs de flammes, la flamme étant ici auto-stabilisée. De telles flammes auto-stabilisées sont traditionnellement connues dans les brûleurs dits à jets libres qui sont des brûleurs à flammes de diffusion, mais dans de tels brûleurs la flamme est de faible puissance spécifique, appelée professionnellement une flamme molle. Au contraire, conformément à la présente invention, la flamme auto-stabilisée 9 est une flamme dite professionnellement "dure". Cela se traduit par une puissance spécifique très élevée de la flamme, par le fait que celle-ci est pratiquement insensible aux conditions de pression d'alimentation du gaz, alors que les flammes de diffusion sont des flammes difficiles à stabiliser et qui sont très facilement soufflees. Au contraire de cela la flamme 9 qui est une flamme dure se maintient constamment dans sa qualité de combustion "bleue", sans panache "orangé""jaune" ou "blanc" jusqu' limite d'une pression minimum qui conduit à l'extinction de la flamme lorsque l'alimentation en gaz est coupée. La souplesse de fonctionnement d'un brûleur còngu selon l'invention permet, outre une modification de puissance spécifique délivrée, par simple modification de la pression et du débit d'alimentation en gaz de faire fonctionner les brûleurs en n'importe quelle position, même inversés, c'est-à-dire la tete en bas, la flamme étant alors descendante.Ceci autorise de- concevoir des appareils de production de chalet à basse température, notamment des chauffe-eau pour piscines, des corps de chauffe pougpanneaux de sol, etc... utilisant des brulAsurs inversés, les condensats des surfaces d'échange se produisant sous les brûleurs n'occasionnant pas les inconvénients habituels dus aux retombées des eaux de condensation qui compromettent habituellement la combustion et créent une détérioration rapide des corps de chauffe. Au contraire selon l'invention on améliorera le rendement du fonctionnement en récupérant la chaleur de condensation de la vapeur d'eau délivrée par la combustion. Parmi les autres avantages inhérents au brûleur de l'invention on citera les suivants En modifiant l'angle de convergence des jets opposés de gaz, on peut obtenir la qualité de flamme nécessaire à satisfaire la conception technique de n'importe quel foyer, en créant notamment des flammes plus ou moins dures et plus ou moins ramassées. Compte tenu de l'auto-stabilisation de la flamme dans les brûleurs de l'invention, et de l'absence d'obstacles sur le parcours du mélange air plus gaz, on obtent une combustion silencieuse, ce qui est tout à fait nouveau dans ce domaine. le répartiteur d'air assure en outre la protection du rayonnement thermique du foyer pour les rampes de distribution du gaz, grâce à sa paroi formant écran thermique et au refroidissement assuré par la circulation d'air primaire d'admission dans la gaine de répartition. En protégeant ainsi les rampes' de gaz de la chaleur rayonnante, on protège ces rampes et on crée en quelque sorte un pré chauffage dA mélange de combustion qui améliore encore le rendement du brûleur. Compte tenu de l'entralnement d'air primaire par les jets individuels de gaz, le mélange air plus gaz est toujours adapté exactement aux besoins de la combustion, dans une large gamme de pression d'alimentation en gaz du brûleur ce qui permet éventuellement de moduler la puissance du brûleur ou d'adapter exactement la puissance délivrée au typesse foyers équiper. L'alimentation en air du répartiteur 1 pourra se faire soit en légère pression par l'intermédiaire d'une turbine ou d'un ventilateur d'alimentation, soit si on utilise un extracteur de fumée sur l'appareil, par simple aspiration d'air extérieur. Dans l'un et l'autre cas cependant les vitesses d'écoulement des gaz, la stabilité et la struct'r'e des flammes sont telles qu'il est possible faire fonctionner le générateur de chaleur dans toutes les positions, y compris à l'envers, c'est-à-dire le brûleur situé en partie haute et l'évacuation des produits de la combustion à la base des géné rateurs De façon pratique, pour des foyers fonctionnant en tirage naturel on admettra une pression d'air de combustion de l'ordre de quelques millimètres d'eau.Pour les foyers pressurisés il faut ajouter à cette pression d'air la pression de pressurisation de la chaudière. On décrira maintenant la variante de réalisation de la figure 3. Dans cette variante on retrouve les mêmes éléments qu'à la figure 1, à ceci près que les cônes 12, 13 débouchant sur les orifices d'air 10, 11 de la figure 1 ont été supprimés, les orifices 10', 11' ayant été simplement formés sur les flancs 15, 16 inclinés en V de la paroi supérieure du répartiteur 1. Pour des applications simples les cônes 12, 13 qui améliorent les conditions de fonctionnement du brûleur ne sont pas en effet toujours nécessaires. On décrira maintenant en référence aux figures 4 à 7 llappli- cation de l'invention à une disposition utilisant un brûleur à plusieurs rampes et rangées de flammes parallèles. Belon le mode de réalisation illustré et dans lequel on a supposé que le brûleur fonctionnait en position inversée, ctest-à- dire flamme dirigée vers le bas, le brûleur comporte quatre rampes parallèles 20, 21, 22, 23. les deux rampes d'estrémité 20, 23 sont pourvues d'une seule rangée d'injecteurs ou orifices calibrés 24, 25, tandis que les autres rampes 21, 22 sont pourvues chacune de deux rangées d'injecteurs 26, 27 ; 28, 29. les axes de ces injecteurs sont dirigés obliquement par rapport au plan des rampes. les jets obliques de deux rampes adjacentes ont leurs axes tels que 30, 31 ; 32, 33 ; 34, 35 qui convergent et se coupent en des points respectivement 36, 37, 38 où s'accrochent les rangées de flammes 39, 40, 41. De façon semblable à ce qui a été décrit aux figures précé Fentes l'air de combustion est induit autour de chaque jet de gaz à travers des orifices 42, 43, 44, 45, 46, 47 formés dans un répartiteur d'air 48 qui vient recouvrir et protéger à une certaine distance les rampes d'alimentation de gaz 20, 23 contre la chaleur du foyer. te répartiteur est formé en sillons avec les creux 49, 50, 51 des sillons situés entre deux rampes adjacentes d'alimentation de gaz et en regard des flammes 39, 40, 41. les crêtes 52, 53 des sillons sont en regard sensiblement des rampes médianes 21 > 22 l'air de combustion est amené dans l'espace 54 au-dessus du répartiteur 48 du côté où sont situées les rampes de gaz 20-23 et du côté opposé à celui où s'effectue la combustion. tes rampes de gaz sont ainsi bien protégées et rsfroies contre le rayonnement des rangées de flammes 39, 40, 41. le gaz est amené aux rampes 20 à 23 par une arrivée 55 qui débouche dans une nourrice principale 56 qui alimente les rampes en parallèle. A l'extrémité opposée des rampes on prévoit avantageusement en 57 une nourrice secondaire d'équilibrage des pressions d'alimentation. L'arrivée d'air au-dessus du répartiteur 48 peut se faire de façon sensiblement étanche par rapport au volume du foyer de combustion. Cependant l'étanchéité n'a pas besoin d'être totale dans la mesure où la surpression d'alimentation d'air par rapport à la pression du foyer est réduite, de l'ordre de quelques millimètres d'eau, et dans la mesure où l'air de combustion est induit à l'intérieur de la chambre de combustion par les jets de gaz délivrés aux injecteurs des rampes de gaz. Un tel brûleur à rampes peut être utilisé dans toute sorte d'appareillage. Il peut être monté en tiroir et par exemple équiper une centrale de chauffe du type décrit au brevet français nO E.N 73 40 148 et à son premier certificat d'addition n0 E.N 75 24 722 déposés au nom des mêmes demandeAùrs relativement à une centrale de chauffe compacte. Dans une telle application, les brûleurs fonctionnant très bien la tête en bas, la chaudière est avantageusement renversée, ce qui élimine les problèmes des condensations et permet d'accrottre le rendement du générateur en récupérant la chaleur latente de condensation des produits de la combustion. Selon la variante de réalisation illustrée à la figure 8, quatre rampes de gaz 60, 61, 62 63 sont alimentées en parallèle et sont enveloppées à l'intérieur d'un répartiteur d'air cylindrique 64 qui les entoure et dans lequel est amené l'air de combustion. Dans l'exemple illustré le répartiteur est formé par un bottier creux métall-que formant une croix à quatre branches, chaque sommet de la croix logeant et protégeant une rampe d'alimentation de gaz. Les rampes peuvent être maintenues à l'intérieur du boîtier par des entretoises 65. Chaque rampe est pourvue de deux rangées d'injecteurs repérés 66 à 73 qui sont dirigés sensiblement perpendiculairement à l'axe 74 du cylindre du brûleur0 Chaque injecteur 66 à 73 et suivant son axe 66a à 7cita un jet de gaz, ces jets étant ainsi dirigés que les axes se coupent de deux en deux en des points respectivement 75 à 78 où s'accrochent et prennent naissance des flammes 79 à 82. Ces flammes sont de la même nature que celles décrites aux figures précédentes étant crées de la même façon par induction par les jets de gaz issus des injecteurs de gaz 66 à 73 dlair de combustion à travers des orifices d'air repérés 83 à 90 formés dans le répartiteur d'air 64. Un tel brûleur convient particulièrement bien à une chambre de combustion à volume cylindrique dans l'axe duquel le brûleur sera facilement positionné. Comme dans les réalisations précédentes, les rampes d'E?.limentation de gaz seront bien protégées et bien refroi dies contre la chaleur du foyer, du fait de la paroi du répartiteur 64 et du refroidissement volume intérieur au répartiteur par la circulation de gaz et d'air de combustion. De la description qui précède il apparat clairement que la géométrie, l'organisation, la structure, la répartition, la puis- sance spécifique des flammes et des rangées de flammes peuvent être choisies à volonté compte tenu de la stabilité des flammes dures à puissance spécifique élevée obtenues avec un brûleur conforme à l'invention. Cette dernière comprend donc tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND I C AT ION S 1 - Brûleur à gaz, à rampes de flammes à forte puissance spécifique et à induction d'air de combustion, caractérisé en ce que le gaz est distribué au brûleur sous la pression d'alimentation par une multitude d'injecteurs ou orifices calibrés, alimentés par des rampés, et orientés de façon à converger au moins deux par deux, chaque injecteur ou orifice induisant autour du jet de gaz auquel il donne naissance un courant d'air de combustion amené au voisinage dudit jet, lesdits jets de gaz et d'air induit convergeant en des points où prennent naissance, s'accrochent et se stabilisent les flammes du brûleur, à une certaine distance des parois dudit brûleur. 2 - Brûleur à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits points de naissance et d'accrochage des flammes forment des alignements ou rangées, d'organisstion, de structure, de répartition et d'écartement variables fonction des caractéristiques désirées et adaptables du brûleur. 3 - Brûleur à gaz selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'air de combustion est amené au brûleur par une gaine ou un répartit-eur pourvu d'orifices situés dans l'axe des jets de gaz, le plan transversal desdits orifices d'air coupant les jets de gaz à une certaine distance des rampes d'alimentation de gaz. 4 - Brûleur à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite gaine ou ledit répartiteur forme autour de chaque jet de gaz un tronc de corne qui va en se rétrécissant jusqu'à l'orifice d'air de combustion correspondant0 5 - Brûleur à gaz selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que ladite gaine ou ledit répartiteur présente une surface en sillons, dont les creux sont situés en regard des alignements de flammes du brûleur. 6 - leur à gaz selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la distance séparant les injecteurs de gaz des orifices d'air du répartiteur est de l'ordre de la moitié au tiers de la distance séparant les injecteurs des pieds de flamme 7 - Brûleur à gaz selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que dans le cas d'une disposition d'un brûleur à plusieurs rampes et rongées de flammes parallèles, les rampes de gaz sont disposées parallèlement, chaque rampe, sauf les deux rampes d'extrémité qui ne sont pourvues que d'une seule rangée d'injecteurs, étant pourvue de deux rangées (l'injecteurs dirigées obliquement par rapport à la surface qui contient les rampes, les jets obliques de deux rampes adjacentes convergeant en des rangées de points où prennent naissance et s'accrochent les flammes, et lesdites rampes sont recouvertes à une certaine distance dlun répartiteur d'air de combustion formé en sillons avec les creux situés entre deux rampes adjacentes et les crêtes sensiblement en regard des rampes de gaz, ledit répartiteur étant pourvu des orifices d'air précités situés dans l'axe des jets de gaz, et l'air de combustion étant amené du côté dudit répartiteur où sont situées lesdites rampes de gaz du coté opposé à celui où s'effectue la combustion. 8 - Brûleur à gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce que les rampes de gaz sont alimentées en parallèle à une de leurs extrémités par une nourrice commune d'alimentation et leur autre extrémité est reliée par une canalisation commune formant nourrice secondaire d'équilibrage. 9 - Brûleur à gaz selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que dans le cas d'une disposition où le brûleur forme un volume annulaire cylindrique de flammes, les rampes de gaz sont enveloppées dans un répartiteur cylindrique qui les entoure et dans lequel est amené l'air de combustion. 10 - Brûleur à gaz selon laevendication 9, caractérisé en ce que chaque rampe de gaz est pourvue de deux rangées d'injecteurs dirigés sensiblement perpendiculairement à l'axe du cylindre du brûleur, lesquels injecteurs coopèrent de deux en deux, d'une rampe à la rampe adjacente suivante, pour former les rangées de flammes à l'extérieur du volume cylindricue du répartiteur. Il - énérateur de chaleur caractérisé en ce qu'il est équipé de brule.u s selon l'une quelconque des revendications pré cédentes et qu'il présente une grande puissance spécifique de chauffe, une grande souplesse de fonctionnement à divers régimes, et qu'il peut fonctionner dans n'importe quelle position, par exemple inverse brûleurs en haut et surfaces d'échange en bas.