Brevet FR2536509A1 — publié le 19840525

Dispositif équipé d'un brûleur et d'un échangeur de chaleur. La présente invention concerne un dispositif équipé d'un brûleur et d'un échangeur de chaleur et dans lequel entre un cylindre creux muni d'une paroi terminale et une enceinte intérieure concentrique à ce dernier est formée une fente annulaire exempte de chicanes et par laquelle les gaz de combustion s'écoulent à partir du brûleur vers le canal d'échappement. Dans un dispositif connu de ce genre (brevet alle- mand N' 2 624 617), la fente annulaire est prolongée au-delà de l'échangeur monté dans le cylindre creux Un système de brûleur servant à l'amenée et au mélange du combustible amène du combustible et de l'air comburant à peu près tan- gentiellement dans ce prolongement de la fente annulaire. Le prolongement de l'enceinte intérieure forme dans ce cas un noyau cylindrique en matière réfractaire Le brûleur peut être conçu de telle façon que les gaz de combustion présen- tent initialement une vitesse d'écoulement d'au moins 125 m/ s En dépit de cette vitesse élevée,on obtient un allumage sûr puisqu'il s'établit un écoulement hélicoïdal avec des spires de jet superposées Des difficultés se présentent ce- pendant lors de la mise en route La flamme formée chaque fois par allumage par étincelle est peu stable et s'éteint fréquemment du fait-qu'elle est refoidie par le noyau cylin- drique Il se produit de fortes pulsations et de la suie et du combustible imbrûlé sont expulsés C'est seulement lors- que le noyau et le cylindre creux avoisinant se trouvent portés à une température suffisamment élevée que la flamme en spirale se rétracte de façon suffisante et les pulsations s'arrêtent Une autre limitation réside en ce qu'une puis- sance minimale déterminée est nécessaire au fonctionnement du dispositif. Or la présente invention a pour but d'indiquer un dispositif du genre décrit plus haut qui permette une phase de mise en route avec une flamme pure et sans pulsations et dans lequel la limite inférieure de puissance peut en même temps être sensiblement abaissée. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que l'extrémité de l'enceinte intérieure située du côté de la paroi terminale est munie d'une paroi frontale annulaire et d'un brûleur central, pour du combustible gazeux ou du com- bustible liquide gazéifié, monté centralement dans l'encein- te intérieure et comportant une chambre de préparation de combustible centrale, susceptible d'être chauffée, et un système de canaux destiné à l'air comburant et présentant une embouchure concentrique, et que dans le prolongement de l'enceinte intérieure est monté un tube de brûleur qui se termine à une certaine distance de la paroi terminale du cy- lindre creux. Ce mode de construction permet au combustible de brû- ler stoechiométriquement sans formation de suie, de donner une flamme stable exempte de pulsations et de porter la tête du brûleur rapidement à des températures élevées Ceci est favorisé par le chauffage grâce auquel par exemple le com- bustible peut être porté à des températures plus élevées ou gazéifié ou bien un mélange combustible gazeux-air peut éga- lement être allumé les gaz de fumée cèdent leur chaleur dans la fente annulaire à l'échangeur de chaleur Si, dans ces conditions, de très faibles quantités de combustible sont brûlées, la vitesse d'écoulement est réduite en consé- quence, de sorte que l'on peut se dispenser du mouvement en spirale des gaz dans la fente annulaire Si dans le cas de plus fortes quantités de combustible le brûleur central est amené à fonctionner seul, les gaz de combustion déviés dans la fente annulaire doivent être animés d'un mouvement de ro- tation suffisant que l'on peut obtenir par une amenée tan- gentielle d'air dans le système de canaux du brûleur à gazé- ification et/ou au moyen d'aubes directrices appropriées. Avantageusement, le brûleur central est un brûleur à gazéification dont la chambre de préparation de combustible est un tube de gazéification muni d'un dispositif chauffant électrique Du combustible liquide peut alors être gazéifié dans la chambre de préparation de combustible et ensuite être brâlé stoechiométriquement sans formation de suie. Une mise en route particulièrement douce est obtenue lorsqu'au niveau de l'embouchure de la chambre de prépara- tion de combustible est prévue une zone d'incandescence qui est portée à incandescence au moyen d'un dispositif chauf- fant Lorsqu'au cours de la mise en route le premier combus- tible gazeux est amené ou la première goutte du combustible liquide arrive dans la chambre de préparation de combustible et y est gazéifiée, le gaz se mélange à l'air se trouvant dans la chambre de préparation de combustible Le mélange inflammable est allumé dans la zone d'incandescence La flamme d'allumage ainsi formée est poussée dans l'espace si- tué à l'intérieur du tube de brûleur par le gaz combustible lui faisant suite Elle allume alors le mélange formé de ce gaz combustible amené subséquemment et de l'air comburant amené par l'intermédiaire du système de canaux Ce processus permet d'obtenir un allumage très sûr avec une flamme bleue ou transparente. Il est cependant particulièrement recommandable que le tube de brûleur soit en une matière qui en cours de fonc- tionnement du brûleur à gazéification se trouve portée à la température d'incandescence, et qu'un système principal ser- vant à l'amenée et au mélange de combustible soit disposé à peu près tangentiellement à la fente annulaire au niveau du tubç de brûleur En effet, lorsque le tube de brûleur est incandescent, le mélange combustible-air qui alimente le sys- tème principal est allumé à coup sûr La flamme est stable. Il ne se produit pas de pulsations du tout Etant donné qu'un allumage par incandescence se réalise tant au niveau du brûleur central qu'au niveau du système principal, l'em- bouchure du système de canaux donnant accès à l'espace si- tué à l'intérieur du tube de brûleur, cet espace même et la fente annulaire peuvent être maintenus exempts d'éléments qui risqueraient de perturber l'allumage, de sorte que l'on obtient un trajet d'écoulement d'air à parfaite symétrie de révolution Les zones d'incandescence ont en outre pour avantage qu'en cas d'extinction de la flamme en cours de fonctionnement tant au niveau du brûleur central qu'au ni- veau du système principal,un réallumage se produit à l'in- térieur du laps de temps de sûreté Après la phase de mise en route,le brûleur central peut, en fonction du type de combustible, être soit maintenu en fonctionnement, soit de préférence arrêté Les deux sytèmes de brûleur peuvent donc fonctionner simultanément ou indépendamment l'un de l'autre. En cas d'utilisation des deux systèmes de braleur, le dispo- sitif peut être amené à fonctionner dans un domaine de puis- sance d'une étendue qui n'a jusqu'à présent pas encore été atteinte, de sorte que la gamme de modulation se trouve doublée A cet égard peut être utilisé du combustible gazeux ou liquide et ce indépendamment de la quantité de combusti- ble En particulier, le système principal servant à l'amenée et au mélange de combustible permet de brûler stoechiométri- quement même des substances difficilementcombustibles comme par exemple du fuel visqueux, du mazout pollué ou des mélan- ges mazout-charbon (COM) et ce jusqu'à une limite de puis- sance inférieure d'environ 0,1 kg de combustible par heure, ce qui n'était pas possible auparavant. De préférence, le tube de brûleur est réalisé en une matière à faible conductibilité thermique Ainsi la tempé- rature d'incandescence est déjà atteinte au bout d'un laps de temps très court. Il est en outre recommandable de prévoir un équipe- ment directeur pour produire un tourbillon annulaire exté- rieur de gaz de flamme avec un-trajet d'écoulement en re- tour le long de la périphérie intérieure du tube de brûleur. Ce tourbillon annulaire protège la flamme fraîchement formée contre un refroidissement par la tête de brûleur et augmente ainsi la stabilité de la flamme initiale De plus, il permet au tube de brûleur d'être porté très rapidement à la tempé- rature d'incandescence. L'équipement directeur peut au moins d'un côté pré- senter une paroi de guidage conique au niveau de l'embou- chure du système de canaux, de sorte que l'air comburant est introduit sous la forme d'un jet d'air conique Cette forme de jet permet d'obtenir un tourbillon annulaire extérieur qui s'étend au-delà du front de flamme et effectue ensuite un trajet de retour en suivant une voie relativement longue le long de la périphérie intérieure du tube de brûleur. Il est avantageux que l'embouchure du système de ca- naux présente une largeur de fente axialement réglable Cela permet de faire varier la vitesse de l'air à amener. En outre, il convient de prévoir des organes direc- teurs au moyen desquels l'air peut être amené à l'espace à l'intérieur du tube de brûleur en étant animé d'un mouvement de rotation On obtient ainsi une flamme plus stable et des tourbillons annulaires extérieurs plus nets. Dans une forme de réalisation préférée,le système de canaux est conçu en vue d'obtenir que la vitesse d'entrée de l'air dans l'espace à l'intérieur du tube de brûleur et le pas déterminé par l'angle d'entrée et par le mouvement de rotation soient tels que le tourbillon annulaire extérieur entoure le front de flamme quelle que soit la quantité de combustible alimentant le brûleur Les avantages du tourbil- lon annulaire extérieur s'offrent donc indépendamment de la puissance momentanée du brûleur. Il est en outre recommandable de prévoir une voie de recirculationpassant par l'enceinte intérieure à partir d'un espace précédant le canal d'échappement, à travers des orifices dans la paroi frontale annulaire, dans l'espace si- tué à l'intérieur du tube de braleur Ainsi, des gaz de com- bustion relativement froids sont ramenés dans la zone de la flamme Ils ne participent pas à la combustion mais refroi- dissent la flamme A cet égard, la quantité de gaz de fumée recirculée est autorégulatrice, c'est-à-dire une fonction de la quantité de combustible introduite Le risque de voir se former une trop forte quantité d'oxyde nitrique se trouve ainsi diminué. L'enceinte intérieure peut être notamment un cylindre creux entourant le brûleur central Le gaz de combustion recyclé refroidit donc l'enceinte intérieure avec le côté extérieur de laquelle entrent en contact des gaz de combus- tion chauds. Si l'amenée de combustible et d'air comburant au brû- leur central et/ou système principal est réglable, la puis- sance calorifique peut chaque fois être adaptée dans un très grand intervalle à la quantité de chaleur nécessaire à un moment donné. De plus,-on peut veiller à ce que le brûleur central et le système principal puissent fonctionner avec des com- bustibles différents. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation préféré illustré aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente, partiellement en coupe lon- gitudinale, un dispositif selon l'invention; et la figure 2 est une coupe longitudinale partielle de la partie inférieure du dispositif. Un cylindre creux 1, muni en bas d'une paroi termina- le 2 et en haut d'un couvercle 3, est constitué sur la ma- jeure partie de sa longueur par un échangeur de chaleur 4 avec une entrée 5 et une sortie 6 et dans sa partie inféri- eure par une paroi 7 en matière réfractaire Concentrique- ment à l'intérieur du cylindre creux 1 est prévue une encein- te 8,en forme de cylindre creux à paroi mince, qui est fer- mée en bas par une paroi frontale annulaire 9 et à laquelle est associé, en tant que prolongement, un tube de brûleur Celui-ci se termine à une certaine distance il de la paroi terminale 2 Entre le cylindre creux 1 et l'enceinte intérieure 8 et/ou le tube de brûleur 10 subsiste une fente annulaire 12 qui communique en haut par l'intermédiaire d'un espace de sortie 13 avec un canal d'échappement 14 Au niveau du tube de brûleur 10 est prévu un système principal 44 servant à l'amenée et au mélange de combustible et qui comprend un dispositif de préparation de combustible 45 et un canal tangentiel 46 par l'intermédiaire duquel le mélange combustible-air peut être envoyé à vitesse élevée dans la fente annulaire 12 Les gaz de combustion ou de fumée for- ment alors des spires de jet étroitement superposées qui conduisent à un dégagement de chaleur intensif au niveau de l'échangeur de chaleur 4 L'ensemble du dispositif est en- touré d'une isolation thermique 15. Comme représenté sur la figure 2, à l'intérieur de l'enceinte 8 est disposé à la suite de la paroi frontale 9 un brûleur central 16 Celui-ci comporte une chambre de pré- paration de combustible 17 présentée sous la forme d'un tube de gazéification 18 oui peut être chauffé au moyen d'un dispositif chauffant électrique 19 Ce dernier peut par l'intermédiaire de connexions 20 et de câbles d'alimentation électrique 21 être alimenté en tension au moyen d'un dispo- sitif de commutation 22 Le tube de gazéification 18 et le dispositif chauffant 19 sont munis d'une isolation thermique 23 L'ensemble est maintenu dans une enveloppe 24 qui pré- sente à son extrémité antérieure une paroi conique 25 L'en- veloppe 24 forme en même temps la limite intérieure d'un système de canaux 26 pour l'amenée d'air comburant, lequel système est limité extérieurement par une gaine 27 Drésen- tant une ouverture d'entrée d'air tangentielle 28 et par une pièce frontale 30 reliée à la gaine 27 par l'intermédi- aire d'un filetage 29 La pièce frontale présente une bride 31 lui permettant d'être fixée à la paroi frontale annulaire 9, et une surface conique 32 Les deux surfaces coniques 25 et 32 limitent une fente annulaire 33 à travers laquelle l'air comburant amené par un tube 34 et le système de canaux 26 est éjecté sous la forme d'un jet conique tournant. A l'extrémité antérieure du tube de gazéification 18 se trouve une zone d'incandescence 35 qui est obtenue puis- qu'une bague 36 gêne la dissipation de chaleur au niveau du dispositif chauffant 19 plus fortement que l'isolation ther- mique 23, et en outre du fait que le dispositif chauffant 19 présente à ce niveau une puissance débitée plus importante. Ceci peut être obtenu par exemple en donnant au dispositif chauffant 19 la forme d'une douille qui est fendue à plu- sieurs reprises des deux côtés et une Lois de manière conti- nue, de sorte qu'à l'extrémité antérieure il se présente une plus forte résistance Lorsque du combustible liquide est amené par un conduit 37, une gazéification a lieu dans le tu- be de gazéification 18 Le gaz combustible formé se mélange dans la chambre de combustion 38 avec l'air comburant amené travers la fente annulaire 33 de manière à former un mé- lange-combustible Il s'établit un front de flamme 39 Par suite de l'amenée de l'air comburant il se forme en outre un tourbillon annulaire intérieur 40 et un tourbillon annulaire extérieur 41 Ce dernier se détache de la couche extérieure du front de flamme et s'étend le long du tube de brûleur 10 sur une distance notable vers l'arrière et ensuite vers l'intérieur o les gaz en voie de recirculation se mélangent à nouveau avec la flamme Ce tourbillon annulaire extérieur 41 protège la flamme contre un refroidissement initial par le tube de brûleur 10 et porte celui-ci très rapidement à la température d'incandescence. Lors de la mise en route,la première goutte de combts- tible amenée est gazéifiée et se mélange avec l'air se trou- vant dans le tube de gazéification 18 Le mélange combusti- ble ainsi formé est allumé dans la zone d'incandescence 35. La flamme d'allumage ainsi produite est poussée dans la chambre de combustion 38 par le gaz combustible lui faisant suite Ce gaz amené subséquemment forme avec l'air comburant amené par l'intermédiaire de la fente annulaire 33 un mélan- ge qui est allumé par la flamme d'allumage Ceci permet au processus de mise en route de se faire très en douceur et sans pulsations Du combustible et de L'air peuvent être mé- langés de façon à obtenir une combustion stoechiométrique sans formation de suie. Le tube de brûleur 10 est chauffé non seulement de l'intérieur mais également de l'extérieur et ce par les gaz de combustion déviés dans la fente annulaire 12 De même, la paroi 7 est chauffée par le rayonnement issu du tube de brûleur 10 et par les gaz de combustion,de sorte que cette paroi peut être également portée rapidement à la température d'incandescence Si à présent le système principal 44 ser- vant à l'amenée et au mélange de combustible est mis en mar- che, on obtient dès le départ un allumage sar, une combus- tion complète avec une flamme transparente bleue et un fonc- tionnement exempt de pulsations Selon la puissance néces- saire,on peut faire fonctionner le brûleur central 16 ou le système principal 44 seul ou les deux en même temps. De plus, dans la paroi frontale annulaire 9 il est prévu un certain nombre d'orifices 42 à travers lesquels s'établit une voie de recirculation 43 à partir de l'espace 13 par l'enceinte intérieure 8 et le long de la paroi fron- tale 9 en direction de la racine du front de flamme 39 Ceci conduit à un refroidissement de la flamme et donc à une di- minution de la quantité de substances nocives formées En tournant la gaine 27 sur la pièce frontale 30, on peut faire varier la dimension de la fente annulaire 33 afin de créer des conditions optimales dans la chambre de combustion 38. Cette recirculation reste maintenue même lorsque le brûleur central 16 est arrêté La voie de recirculation 43 s'étend alors le long du côté intérieur du tube de brûleur 10 et entre d'en bas dans-la fente annulaire 12 - Le tube de brûleur 10 peut être réalisé en acier ou en une matière céramique à paroi mince La chambre de prépa- ration de combustible 12 présente de préférence une paroi en carbure de silicium, qui est étanchéifié avec du silicium gazeux, ou en une autre matière céramique Les matières constitutives des autres pièces utilisées doivent également être choisies de façon à résister aux températures subies en cours de fonctionnement. REVENEDICATIONS 1 Dispositif équipé d'un brûleur et d'un échangeur de chaleur et dans lequel entre un cylindre creux muni d'une paroi terminale et une enceinte intérieure concentri- que à ce dernier est formée une fente annulaire exempte de chicanes et par laquelle les gaz de combustion s'écoulent à partir du braleur vers le canal d'échappement, caractérisé en ce que l'extrémité de l'enceinte intérieure ( 8) située du côté de la paroi terminale ( 2) est munie d'une paroi frontale annulaire ( 9) et d'un brâleur central ( 16), pour du combustible gazeux ou du combustible liquide gazéifié, monté centralement dans l'enceinte intérieure et comportant une chambre de préparation de combustible centrale ( 17), suscep- tible d'être chauffée, et un système de canaux ( 26) destiné à l'air comburant et présentant une embouchure concentrique ( 33),et en ce que dans le prolongement de lrenceinte inté- rieure est monté un tube de braleur ( 10) qui se termine à une certaine distance de la paroi terminale du cylindre creux ( 1). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le brûleur central ( 16) est unfraleur à gazéifica- tion dont la chambre de préparation de combustible ( 17) est un tube de gazéification ( 18) muni d'un dispositif chauffant électrique ( 19). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'au niveau de l'embouchure de la chambre de préparation de combustible ( 17) est prévue une zone d'incan- descence ( 35) qui est portée à incandescence au moyen d'un dispositif chauffant ( 19). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le tube de brûleur ( 10) est en une matière qui en cours de fonctionnement du brûleur central ( 16) se trouve portée à la température d'incandes- cence, et en ce qu'un système principal ( 44) servant à l'a- menée et au mélange de combustible est disposé à peu près tangentiellement à la fente annulaire ( 12) au niveau du tu- be de brûleur. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le tube de brûleur ( 10) est réalisé en une matière à faible conductibilité thermique. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est prevu un équipement directeur ( 25, 32) pour produire un tourbillon annulaire ex- térieur ( 41) de gaz de flamme avec un trajet d'écoulement en retour le long de la périphérie intérieure du tube de bru- leur ( 10). 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'équipement directeur ( 25, 32) présente au moins d'un côté une paroi de guidage conique au niveau de l'embou- chure ( 33) du système de canaux ( 26), de sorte que l'air com- burant est introduit sous la forme d'un jet d'air conique. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que l'embouchure ( 33) du sys- tème de canaux ( 26) présente une largeur de fente axialement réglable. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est prévu des organes directeurs ( 28) au moyen desquels l'air peut être amené dans l'espace ( 38) à l'intérieur du tube-de brûleur ( 10) en étant animé d'un mouvement de rotation. 10 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce que le système de canaux ( 26) est conçu en vue d'obtenir que la vitesse d'entrée de l'air dans l'espace ( 38) situé à l'intérieur du tube de brûleur ( 10) et le pas déterminé par l'angle d'entrée et par le mou- vement de rotation soient tels que le tourbillon annulaire extérieur ( 41) entoure le front de flamme quelle que soit la quantité de combustible alimentant le brûleur. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu une voie de recirculation ( 43) passant par l'enceinte intérieure ( 8) à partir d'un espace précédant le canal d'échappement ( 14), à travers des orifices ( 42) ménagés dans la paroi frontale an- nulaire ( 9), dans l'espace ( 38) situé à l'intérieur du tube de brûleur ( 10). 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'enceinte intérieure ( 8) est un cylindre creux entourant le brûleur central ( 16). 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, caractérisé en ce que l'amenée de combustible et d'air comburant au brûleur central ( 16) et/ou au système principal ( 44) est réglable. 14 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 13, caractérisé en ce que le brûleur central ( 16) et le système principal ( 44) peuvent fonctionner avec des combustibles différents.