Brevet FR2497923A1 — publié le 19820716

_, _ La présente invention concerne un brûleur à gaz d'une conception nouvelle ainsi qu'une chaudière utilisant un tel brûleur. Les brûleurs à gaz connus sont pratiquement de deux types: d'une part, les brûleurs métalliques à multi-trous ou fentes utilisés par exemple dans les cuisinières à gaz, ou les rampes métalliques à multi-trous ou fentes utilisées dans les chaudières à gaz atmosphériques, radiateurs, chauffeeau etc... et, d'autre part, les brûleurs en céramique percés de trous par usinage, moulage, ou injec- tion. Les brûleurs métalliques du premier type ont l'incon- vénient de nécessiter, pour leur bon fonctionnement, non seulement de l'air primaire, mais également de l'air secon- daire complémentaire et indispensable, c'est-à-dire de l'air se mélangeant au gaz à la sortie des fentes et des trous des brûleurs. Or, cet air secondaire n'étant prati- quement pas dosable et contrôlable,ilnepeutque faire chuter le rendement du brûleur. Il serait impensable de vouloir aug ter le rendement de ces brûleurs en éliminant l'air secondaire, sans prendre d'énormes précautions ayant pour but d'éviter à tout prix un excès d'air primaire qui pro- voquerait un accrochage de la flamme sur la paroi du brû- leur et donc l'échauffement de celui-ci au-delà des limites tolérables et sa destruction rapide. Pour éviter ce dernier inconvénient, on se restreint volontairement au niveau des bas rendements en utilisant de l'air secondaire et en diminuant l'admission d'air primaire induit dans les brû- leurs atmosphériques proprement dits et, dans les instal- lations atmosphériques exemptes d'air secondaire, en veillant rigoureusement à éviter que la flamme ne soit accrochée au brûleur métallique. Quant aux brûleurs en céramique à multi-tr>us, lesdits trous présentent une trop faible perte de charge pour per- mettre un bon accrochage de la flamme en air primaire total et produit fini. -2- La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un brûleur à gaz qui puisse éven- tuellement fonctionner uniquement avec de l'air primaire, donc avec un excellent rendement, tout en supportant les températures relativement élevées qui se manifestent à sa surface. A cet effet, le brtleur à gaz selon l'invention se ca- ractérise en ce qu'il est réalisé en une céramique poreuse dont les pores sont répartis sur toute la surface du brû- leur et déterminent une perte de charge de l'ordre de 1 à 20 mm de colonne d'eau, pour le mélange de gaz de com- bustion et d'air primaire. La composition céramique est préparée à partir d'un mélange d'une variété d'alumine, telle que le corindon, la sillimanite, la mullite ou la zircone, etc... ayant une granulométrie moyenne comprise entre 0,2 et 2,5 mm, d'un liant définitif tel que l'argile ou la bentonite dans une proportion de 10 à 40% en poids, de liants temporaires du type fécule, dextrine ou alginate dans une proportion de 1 à 10 % en poids, et de 1 à 10% d'eau. Le mélange est tamisé dans un tamis de 1 à 2,5 mm de grosseur de maille, puis pressé isostatiquement, de pré- férence dans des moules appropriés sous forme de corps creux ouvert à une extrémité ou de plaques etc.... Le corps pourra être avantageusement en forme d'éprouvette ou creu- set. On effectue ensuite le séchage et la cuisson dans un four céramique à une température comprise entre 1000 et 1 6000 selon la composition du mélange. On obtient ainsi un corps céramique à texture poreuse dont les pores sont répartis sur toute la surface du corps. On connaît des chaudières à gaz dans lesquelles la combustion est réalisée par air primaire exclusivement, mais qui utilisent des brûleurs en acier réfractaire ino- xydable perforés et équipés d'extracteurs appropriés à l'entrainement de la quantité d'air primaire nécessaire à la combustion du gaz. Toutefois, lorsque ces brûleurs sont alimentés en -3- excès d'air primaire, ils risquent d'être portés au rouge et de se détruire. Pour éviter cet inconvénient, on se res- treint au niveau du rendement en diminuant la quantité d'air aspiré, compte tenu du fait qu'un excès d'air en- traîne l'accrochage de la flamme et donc l'échauffement du brûleur. La présente invention a également pour but de remédier auxdits inconvénients des chaudières connues à brûleur en acier réfractaire et concerne à cet effet une chaudière qui utilise comme brûleur le brûleur en céramique poreuse décrit précédemment. Selon un mode de réalisation particulier de l'inven- tion, la chaudière comprend deux enveloppes concentriques définissant entre elles une chambre annulaire étanche dans laquelle est entretenue une circulation de fluide calopor- teur, tel que l'eau, le brûleur étant monté à l'intérieur de l'enveloppe interne de la chaudière, avec son ouverture tournée du côté d'un injecteur de gaz et s'adaptant avec étanchéité à l'ouverture d'entrée de l'enveloppe interne. La chambre intérieure de l'enveloppe interne peut être soit mise en dépression, la dépression étant exercée à par- tir de l'aval du brûleur, soit fonctionner sous pression, la pression étant exercée du côté de l'admission du gaz. La totalité de l'air primaire nécessaire à la combus- tion du gaz est aspirée dans le corps céramique par les moyens aspirateurs et mélangée intimement au gaz de combus- tion dans les pores de la céramique, de sorte qu'à la sortie des pores, sur toute la surface périphérique externe du brûleur, apparaît un mélange inflammable qui peut être flambé par les moyens classiques d'allumage, tels que bou- gies ou pilotes. Le brûleur selon l'invention peut voir sa superficie portée à des températures de l'ordre de 8000C, c'est-à-dire au rouge vif, sans risque de détérioration ou de diminution de la durée de service. Une telle température ne peut être atteinte ni avec les brûleurs métalliques sans détériora- tion certaine, ni avec les brûleurs céramiques à multi-trous -4 - du fait que la perte de charge est trop faible. Le brûleur et la chaudière selon l'invention fonction- nent exclusivement en air primaire total puisque l'enceinte dans laquelle est monté le brûleur est étanche vis-à-vis de l'air secondaire et est mise en dépression. Il en ré- sulte que le brûleur n'est pas refroidi comme c'est le cas pour les brûleurs fonctionnant avec air secondaire et que le rendement du brûleur est de ce fait notablement supérieur à celui desdits brûleurs à air secondaire. En augmentant davantage la porosité de la céramique, autrement dit en réduisant la perte de charge à un minimum de l'ordre de 1 à 5 mm de colonne d'eau, le brûleur en céramique de même conception permettrait une utilisation atmosphérique proprement dite(c'est-à-dire sans extraction mécanique et avec de l'air secondaire) modulable en fonction de la quantité de gaz. Il pourrait même fonctionner avec un excès d'air primaire, ce qui est tout à fait exclus avec un brûleur métallique. Un tel brûleur à faible perte de charge pourrait fonctionner avec de l'air primaire et de l'air secondaire périphérique en assumant des rendements supérieurs à ceux des brûleurs en acier inoxydable.La durée de service des brûleurs en acier inoxydable à air primaire et secondaire est en effet notablement raccourcie si la flamme est bien accrochée, c'est-à- dire dans le cas de très bons rendements, alors que dans le brûleur céramique de l'invention, la flamme est par définition bien accrochée et malgré cela elle ne menace pas la longévité du brûleur. Les brûleurs tout gaz du type en acier inoxydable ou plus généralement en métal, tels que ceux utilisés dans les chauffe-eau, les chauffe-bains, les radiateurs, les chau- dières murales ou au sol ont, dans les meilleures conditions, des rendements de combustion,mesurés en teneur de gaz carbonique, de l'ordre de 6 à 9%. L'utilisation de brûleurs en céramique, selon l'invention permet d'atteindre des rendements pouvant excéder de 20% ou même davantage ces rendements précités que l'on peut obtenir avec extraction d'air primaire et sans air secondaire, et de l'ordre de éo ou davantage dans le cas de leur utilisation comme brûleur atmosphérique à air primaire induit et air secondai- re ambiant. Dans l'évaluation de ces rendements, on ne tient pas compte, bien entendu, du gain en calories par rayonnement de la céramique portée au rouge. Les brûleurs métalliques au contraire n'émettent pratiquement aucune énergie par rayonnement, sauf s'ils sont portés au rouge, c'est-à-dire juste avant leur destruction. On notera encore que la combustion va en s'améliorant, dans le cas du brûleur et de la chaudière de l'invention, au fur et à mesure que la température de l'élément poreux en céramique s'élève jusqu'au rouge vif. D'autre part, dans les brûleurs métalliques, le cen- trage et le positionnement de l'injecteur, le diamètre de perçage de ce dernier, la forme, la position et l'importan- ce du Venturi sont des paramètres critiques, alors que dans le brûleur en céramique selon l'invention, ces paramètres peuvent être choisis moins rigoureusement. De plus,dans les brûleurs à gaz, atmosphériques, en métal existe toujours un danger aussi réduit soit-il d'une mise à feu à l'injecteur qui provoque une flamme interne, le réchauffement de la paroi métallique et sa détériora- tion. Le brûleur en céramique poreuse selon l'invention résiste avec succès à de telles contraintes éventuelles. De même, quand la chaudière "étanche" de l'invention arrive à température et que le thermostat commande la cou- pure, l'absence d'air secondaire incontrôlé assure un main- tien en température plus favorable que lorsque l'air secon- daire des chaudières atmosphériques proprement dites conti- nue à circuler de plus belle en entraînant les calories vers la cheminée d'évacuation. On notera enfin qu'à l'arrêt, le brûleur céramique est totalement silencieux alors que les brûleurs tout gaz métalliques crépitent lors de leur refroidissement. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit à présent en détail en regard du dessin annexé dans lequel: La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un brûleur céramique en forme de creuset, selon un premier mode - 6 - de réalisation de l'invention; La figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un brûleur céramique en forme de plaque selon un second mode de réalisation de l'invention; et La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une chau- dière selon l'invention incorporant le brûleur de la figure 1. Le brûleur 10 représenté sur la figure 1 est en céra- mique poreuse dont la composition et le mode de fabrication o10 ont été précisés précédemment. Le brûleur est en forme d'éprouvette ou creuset ouverte à une extrémité 12 et fermée à l'autre extrémité. Il comporte une multitude de pores répartis sur toute sa surface et qui constituent des chemins de passage pour le fluide gazeux (air + gaz de combustion) admis à l'intérieur du brûleur. Les pores sont dimensionnés de manière à provoquer une perte de charge du mélange gaz de combustion-air primaire de l'ordre de 1 à 20 mm de colonne d'eau. Le brûleur 13 montré à la figure 2 est également réalisé en céramique par le même procédé que le brûleur 10. Il est en forme de plaque et ses pores sont dimensionnés pour permettre le passage du fluide gazeux à travers la plaque, avec une perte de charge de 1 à 20 mm de colonne d'eau. Les formes décrites pour le brûleur ne sont données qu'à titre d'exemple, car le brûleur peut avoir toute autre forme appropriée, convenant au mieux à l'utilisation à laquelle le brûleur est destiné. Avec référence à la figure 3, la chaudière selon l'invention comprend deux enveloppes concentriques 14, 16 en métal, définissant entre elles une chambre annulaire 18 fermée à ses extrémités d'entrée et de sortie par des pa- rois terminales 20, 22.- La chambre 18 est remplie d'un flui- de caloporteur, tel que l'eau, mis en circulation par des moyens appropriés non représentés, à travers une tubulure d'entrée 24 et une tubulure de sortie 26. Dans l'enveloppe interne 16 est monté un brûleur 10 analogue à celui de la figure 1. Le brûleur est adapté - 7 - avec étanchéité, par son extrémité ouverte, dans un orifice 28 percé dans la paroi 20 qui obture l'extrémité d'entrée de la chambre 30 définie à l'intérieur de l'enveloppe interne 16. L'extrémité de sortie 32 de cette dernière est ouverte et est raccordée à une tuyauterie d'aspiration 34 équipée d'un ventilateur 36 et d'une vanne 38 permettant de doser le débit du mélange air primaire et gaz aspiré à travers les pores du brûleur. Le gaz de combustion est insuflé à l'intérieur du brû- leur par un injecteur 40 monté sensiblement dans l'axe du brûleur. Des électrodes 42, débouchant à l'intérieur de la chambre 30 au voisinage de la surface externe du brûleur permettent, lorsqu'elles sont mises sous tension, d'en- flammer le mélange gazeux sortant par les pores du brûleur. On obtient ainsi une multitude de petites flammes 44 uni- formément réparties et bien accrochées sur la surface du brûleur. Comme on peut le voir sur la figure 2, la chaudière et le brûleur ne fonctionnent qu'avec de l'air primaire, en l'absence d'air secondaire périphérique. Le brûleur peut de ce fait être porté à des températures de l'ordre de 8000C sans risque de détérioration. On atteint ainsi des rendements notablement plus élevés qu'avec les brûleurs métalliques. -- 8 -- REVENDICATIONS 1.- Brûleur à gaz, caractérisé en ce qu'il est réalisé en une céramique poreuse dont les pores sont répartis sur toute sa surface et déterminent une perte de charge de l'or- dre de 1 à 20 mm de colonne d'eau pour le mélange de gaz de combustion et d'air primaire qui les traverse. 2.- Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente la forme d'un creuset ou éprouvette ou- vert à une extrémité et fermé à l'autre extrémité. 3.- Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se présente sous forme de plaque 13. 4.- Procédé de fabrication du brûleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prépare un mélange d'alumine, tel que corindon, sillimanite, mul- lite, ou zircone de granulométrie comprise entre 0,2 et 2,5 mm, d'un liant définitif, tel que l'argile ou la ben- tonite dans une proportion de 10 à 40% en poids, de liants temporaires du type fécule, dextrine ou alginate dans une proportion de 1 à 10% en poids, et de 1 à 10%, d'eau, on tamise finement ledit mélange dans un tamis de 1 à 2,5 mm de grosseur de maille, on presse isostatiquement le mélange dans des moules appropriés et on effectue un séchage du corps ainsi obtenu à une température comprise entre 1000 et 1600oC. 5-- Chaudière à gaz du type dans laquelle la combus- tion est réalisée exclusivement par air primaire et équipée d'un extracteur destiné à lentraînement de la quantité d'air primaire nécessaire à la combustion du gaz,caractérisée en ce qu'elle comporte un brûleur en céramique 10 selon l'une des revendications 1 à 3. 6.- Chaudière selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend deux enveloppes concentriques 14, 16 définissant entre elles une chambre annulaire étanche 18 dans laquelle est entretenue une circulation de fluide caloporteur, tel que l'eau, le brûleur 10 étant monté à l'intérieur de l'enveloppe interne 16 de la chaudière, avec son ouvertrue tournée du côté d'un injecteur de gaz et s'adaptant avec étanchéité à l'ouverture d'entrée 28 _9_ de l'enveloppe interne. 7,- Chaudière selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la chambre intérieure 30 de l'enve- loppe interne 16 est mise en dépression par des moyens as- pirateurs appropriés 36. 8.- Chaudière selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la chambre intérieure 30 de l'en- veloppe interne 16 est mise sous pression par des moyens appropriés disposés du côté de l'admission du gaz et de l'air primaire.