Brevet FR2524122A1 — publié le 19830930

La présente invention a pour objet un brûleur pour appareil de chauffage à catalyse. Un appareil de chauffage à catalyse comprend essen- tiellement un brûleur permettant l'oxydation catalytique à basse température d'un combustible gazeux ou amené à l'état gazeux, tel qu'un hydrocarbure. La figure 1 du dessin schématique annexé représente un appareil de chauffage à catalyse ( 2) mobile, comprenant un carter ( 3) à l'intérieur duquel est monté, derrière une grille de protection ( 4), un brûleur qui est montré plus en détail, en perspective éclatée, à la figure 20 Ce brû- leur comprend un corps de chauffe ( 5) constitué par une cuvette métallique, dans le fond duquel est fixé un sys- tème d'amenée de gaz constitué par un serpentin ( 6) per- cé d'orifices Dans le corps de chauffe est fixé un support métallique ( 7) constitué par une tôle perforée, sur laquelle repose un système de diffusion ( 8) constitué par un matelas de fibres minérales Sur le système de diffusion ( 8) est plaquée la masse catalytique ou masse active ( 9) généralement constituée par des fibres minéra- les réfractaires ou d'autres matériaux, sur lesquels est déposé le catalyseur Un cadre métallique ( 10) portant une grille ( 12) constituée par des éléments longitudinaux et des éléments transversaux maintient l'ensemble en place. Le fonctionnement d'un tel appareil est le suivant: Le gaz combustible s'écoule par le serpentin placé au fond du corps de chauffe ( 5), à l'intérieur du vide ménagé entre le fond du corps de chauffe et le support métallique ( 7), qui joue le rôle de chambre de détente et contribue à la répartition du flux gazeux au sein du brûleur Le gaz pénètre ensuite dans le matelas de fibres minérales, qu'il sature entièrement avant de passer dans la masse active ou masse de contact dans laquelle la réaction a lieu. Pour que la réaction catalytique s'amorce et s'entre- tienne ensuite d'elle-même, il est nécessaire de recourir à un artifice consistant à préchauffer la masse catalytique, ce qui est généralement réalisé à l'aide du gaz traversant le matelas catalytique. A cet effet, le débit de gaz est considérablement augmenté jusqu'à atteindre une valeur correspondant au triple du débit nominal du brûleur, pendant un laps de temps compris entre 30 secondes et 1 minute Ce débit d'allumage est appelé débit starter. Dès son apparition, à la surface de la masse cataly- tique, le flux gazeux est enflamme, généralement par une veilleuse, les flammes disparaissant ensuite pour laisser la place à une combustion catalytique sans flamme. Cette technique utilisée par tous les constructeurs présente des inconvénients en raison de la nécessité d'une texture parfaitement appropriée du matériau diffuseur, de l'excès de gaz en période d'allumage et de la perméabilité du système. En effet, la texture du matériau diffuseur ne doit être ni trop compacte, ni trop légère, mais parfaitement adaptée à la texture de la masse active, afin d'éviter les irrégularités de passage de gaz se traduisant par une mauvaise répartition de la charge en gaz dans la masse active, et par suite par une baisse sensible du rendement de la réaction catalytique. L'excès de gaz en période de démarrage est indispensa- ble si l'on veut que le préchauffage de la masse catalyti- que s'effectue dans des conditions acceptables pour l'utilisateur En effet, d'un débit de gaz trop limité en période de démarrage peut résulter un retard important à l'allumage, se traduisant par une déflagration désagréable. L'accroissement sensible du débit de gaz en période de démarrage, permet de créer rapidement une concentration importante en gaz à la base du brûleur, qui s'enflamme avant que la dispersion du flux gazeux soit trop grande. Néanmoins, l'obtention d'un débit de gaz supérieur au débit nominal du brûleur nécessite la mise-en oeuvre d'un système spécifique et parfois la création d'un circuit de gaz spécial Ceci conduit à une augmentation de la complexité de la robinetterie du brûleur, ce qui n'est pas favorable d'un point de vue économique En outre, un débit de gaz supérieur au débit nominal du brûleur prolonge de façon sensible la période de mise en service, étant donné qu'un brûleur catalytique ne peut, mime pendant un temps bref, digérer correctement un excès de gaz et que de for- tes proportions de gaz imbrûlé sont rejetées dans l'atmos- phère Il en résulte que l'utilisateur est souvent dans l'obligation d'interrompre entièrement le débit de gaz pendant une période de temps de l'ordre de 1 minute Cette intervention est souvent ressentie par l'utilisateur comme une servitude caractérisant les appareils de chauffage à catalyse. Mime avec un choix judicieux du système de diffusion du gaz, celui-ci occasionne un tassement plus ou moins' important de l'ensemble du brûleur catalytique Ce tasse- ment imprimé à la masse active enlève à cette dernière un certain degré de perméabilité, nuisant à la pénétration de l'air comburant au sein de la masse, ce qui se traduit par un ralentissement de l'activité catalytique dans la zone profonde de la masse active Une partie de cette masse n'étant pas exploitée correctement, les possibilités du brûleur s'en trouvent sensiblement réduites. La présente invention vise à remédier à ces inconvé- nients. A cet effet, comme montré à la figure 3 du dessin schématique annexé qui en est une vue en perspective éclatée, le brûleur de l'appareil de chauffage à catalyse qu'elle concerne, du type comprenant un corps de chauffe ( 13) en forme de cuvette métallique, équipé d'un système ( 14) d'amenée du gaz, dans lequel est monté un support ( 15) de la masse catalytique, la masse active ou masse catalytique et un cadre de maintien ( 17) de l'ensemble, est caractérisé en ce que les propriétés de la masse catalytique ( 16) sont telles que celle-ci remplit également la fonction de système de diffusion. Selon une caractéristique de l'invention, la masse catalytique ( 16) est montée sans compression à l'intérieur du brûleur De ce fait, le cadre assurant sa tenue consis- te en un simple cadre périphérique sans barrettes longitu- dinales, ni transversales. En outre, le système d'amenée du gaz est sensiblement simplifié puisque constitué par une rampe droite, ou un simple écrou monté dans le fond de la cuvette formant le corps de chauffe. La masse active peut reposer sans compression sur un support métallique constitué par une tôle perforée ( 15 >, ou disposer d'une armature intégrée assurant sa propre tenue indépendamment de tout élément extérieur. Afin de posséder de bonnes propriétés de diffusion, la masse catalytique comprend des éléments tels que fibres, billes, fils, copeaux, agglomérats quelconques, etc a**, de matériaux réfractaires, régulièrement répartis en un matelas de 5 a 15 millimètres d'épaisseur, présentant une surface spécifique au moins égale à 1 m 2/g, possédant une bonne stabilité chimique et mécanique en atmosphère oxydan- te jusqu'à au moins 800-C, les éléments étant arrangés de manière à ménager 40 à 60 volumes de vide pour un volume plein. Dans la mesure o le support de la masse active est constitué par des fibres céramiques, celles-ci ont un diamètre de deux à trois microns et une masse volumique comprise entre 2,5 et 3 kg/dm-. Le fonctionnement de ce brûleur est le suivant: le gaz combustible est distribué dans le fond du corps de chauffe ( 13) par un tube droit ( 14 a) percé d'orifices de petit diamètre, ou par un simple écrou percé ( 14 b), comme montré en traits mixtes au dessin Le gaz remplit le vide existant entre la masse catalytique ( 16) et le fond du corps de chauffe ( 13) et entre en contact direc- tement avec la masse catalytique, le flux gazeux uniformé- ment réparti traversant cette dernière, au contact de la- quelle se produit la réaction d'oxydation catalytique* La suppression du matelas de diffusion permet à l'en- semble de la masse de contact de travailler dans des con- ditions optimales d'oxygénation, ce qui résulte notamment de l'absence de compression sur la masse catalytique. En outre, la pénétration de l'air comburant au sein de la masse de contact est favorisée par un choix judicieux de la densité et de l'épaisseur du support de catalyseur. De ce fait, la réaction catalytique n'a plus lieu uniquement à la surface de la masse de contact, mais égale- ment en profondeur, sur la face interne de la masse de con- tact, et se propage sur toute l'épaisseur du matelas. De ce fait, pour une même puissance au cm 2, la tempé- rature de travail est supérieure de 500 C à celle du brûleur décrit précédemment Il en résulte une augmentation sensible du rendement catalytique qui atteint couramment 99,5 %. Cette amélioration du rendement permet également d'abaisser le niveau du régime de ralenti du brûleur, ce qui présente un avantage pour l'utilisateur ainsi qu'un avantage économique. Un autre avantage du dispositif selon l'invention, concerne l'allumage et, par conséquent, la mise en tempé- rature de la masse de contact La suppression de la couche de diffusion du gaz et par suite la plus grande perméabi- lité de la masse de contact permet un amorçage de réaction extrêmement rapide et une grande aptitude à la propagation. Ce gain d'activité catalytique est directement lié à la plus grande facilité donnée aux réactants pour se mêler dès leur entrée en contact avec la substance catalytiquement t active. Cette facilité d'amorçage et de propagation de la réaction catalytique permet la mise en service d'un brû- leur sans fonction starter, c'est-à-dire sans augmentation du débit gazeux, la quantité de gaz correspondant à la puissance nominale de l'appareil étant suffisante La suppression de la fonction starter se traduit donc par une simplification de la robinetterie. Pour l'utilisateur, l'allumage est simplifié, et les risques de ratée qui se traduisait par un dégagement de gaz imbrûlés et, par conséquent, d'odeurs, sont considéra- blement réduits. La suppression d'un débit de gaz supérieur pendant la phase d'allumage permet de prolonger l'activité du cataly- seur et d'augmenter la fiabilité du brûleur En effet, des allumages répétés de la masse catalytique à l'aide de fortes quantités de gaz entraînent, du fait de l'élévation anormale de la température en certains points de la masse, des phénomènes de recristallisation prématurés du cataly- seur se traduisant par une perte d'activité partielle. En ce qui concerne l'usage industriel des brûleurs catalytiques, les nouvelles possibilités d'allumage apportent d'importantes simplifications au niveau des vannes automatiques de distribution des gaz, la vanne starter, les temporisateurs et le circuit électrique qui leur est associé étant supprimés, ce qui se traduit par une économie substantielle. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un appareil de chauffage à catalyse à partir d'hydrocarbures, tels que méthane, éthane, butane, propane, heptane, possédant une structure simplifiée et des performances excellentes, susceptible d'applications tant domestiques qu'industrielles ou agricoles. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cet appareil de chauffage, décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. C'est ainsi notamment que la masse active pourrait ne pas être associée à un support constitué par une tôle perforée, mais présenter une armature interne, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS - 1 Brûleur pour appareil de chauffage à catalyse, du type comprenant un corps de chauffe ( 13),en forme de cuvette métallique,équipé d'un système ( 14) d'amenée du gaz, dans lequel est monté un support ( 15) de la masse catalytio que, la masse active ou masse catalytique et un cadre de maintien ( 17) de l'ensemble, caractérisé en ce que les pro- priétés de la masse catalytique ( 16) sont telles que celle- ci remplit également la fonction de système de diffusion. 2 Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse catalytique ( 16) est montée sans compression à l'intérieur du brûleur. 3 Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le cadre ( 17) assurant le maintien en position montée des différents organes consti- tutifs du brûleur est constitué par un simple cadre péri- phérique sans barrettes longitudinales, ni transversales. i Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'amenée de gaz dans le corps de chauffe ( 13) est constitué par une rampe droite ( 14 a). Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'amenée de gaz dans le corps de chauffe ( 13) est constitué par un écrou ( 14 b). 6 Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support de la masse cata- lytique est constitué par une armature intégrée à cette masse catalytique. 7 Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse catalytique comprend des éléments tels que fibres, billes, fils, copeaux, agglo- mérats quelconques, etc, de matériaux réfractaires, ré- gulièrement répartis en un matelas de 5 à 15 millimètres d'épaisseur, présentant une surface spécifique au moins égale à lm /g, possèdant une bonne stabilité chimique et mécanique en atmosphère oxydante jusqu'à au moins 800 C, les éléments étant arrangés de manière à ménager 40 à 60 volumes de vide pour un volume plein. 8 Brûleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que, dans la mesure o le support de la masse active est constitué par des fibres céramiques, celles-ci ont un diamètre de deux à trois microns et une masse volumique comprise entre 2,5 et 3 kg/dm'.