Brevet FR2538506A1 — publié le 19840629

L'invention se rapporte à un dispositif auxi- liaire destiné à être utilisé dans une installation de chauffage chauffée par des brûleurs à gaz, en particulier avec une flamme principale, modulée, comprenant un cap- 5 teur placé dans la flamme pilote, qui transmet un signal à un organe qu'il s'agit de commander de manière à in- fluencer l'alimentation des brûleurs en l'un des consti- tuants du mélange air-gaz Un tel dispositif est connu par le brevet français 2 169 451 Ledit dispositif est 10 particulièrement destiné aux installations de chauffage central. Dans une installation de chauffage au gaz pour le chauffage des locaux, on fait tout pour obtenir le meilleur rendement possible Une trop grande quantité 15 d'air signifie que l'air en excès s'échappe avec les gaz de combustion par la cheminée et évacue de la chaleur à l'extérieur, qui est donc perdue pour le chauffage du lo- cal Une trop petite quantité d'air a pour effet qu'une partie du gaz n'est pas entièrement brûlée et que la cha- 20 leur latente qui y est contenue n'est pas entièrement exploitée, et ceci constitue également une perte L'ali- mentation en air doit donc être convenablement réglée par rapport à la quantité de gaz acheminée Il convient de conserver en mémoire que, lorsqu'un appareil de chauffage 25 est bien chauffé, il se développe un tirage thermique dans le canal de sortie des gaz de fumée, ce qui renforce l'évacuation des gaz de fumée C'est pourquoi, dans le cas inverse, lorsque l'appareil de chauffage est encore froid et que, en conséquence, ce tirage thermique fait 30 défaut, on devra davantage l'aider artificiellement, à un certain niveau de flamme donné, que lorsque l'appareil de chauffage est bien chauffé (saturé de chaleur), au même niveau de flamme. La condition requise de chauffage avec un rende- 35 ment avantageux pose relativement peu de problèmes dans les installations de chauffage sans modulation de la flam- me ; il existe des installations qui ne comportent que 2 deux réglages : "marche" et "arrêt", par opposition aux - installations dans lesquelles la flamme est modulée posi- tivement Au contraire, dans les appareils à flamme modu- lée, les problèmes qui se posent pour atteindre le but 5 visé sont évidemment plus graves Alors que, à un niveau élevé de la flamme de gaz, le réglage sur un rendement raisonnable est encore possible, (parce qu'il y a une moyenne "raisonnable" de la flamme modulée), ce réglage relativement avantageux est entièrement perdu, en parti- 10 culier aux plus faibles niveaux de la flamme de gaz modu- lée Ceci signifie que, si l'on passe d'une flamme haute à une flamme basse, il est nécessaire de réduire l'ali- mentation en air. En conséquence, l'alimentation en air doit être 15 adaptée à la demande d'air de la flamme de gaz, demande *qui varie avec la dimension de la flamme Pour pouvoir vérifier si la combustion se produit avec un rendement raisonnable, on cherche à savoir s'il s'est produit une combustion complète C'est le cas lorsqueles constituants 20 combustibles du mélange gazeux ne peuvent plus être oxy- dés davantage ; de cette façon, lorsque, dans les gaz de combustion (gaz de fumée) s'échappent par la cheminée, on ne trouve que C 02, 502, etc , et aucune forme rédui- te de ces composés Cette situation idéale ne peut pas 25 être obtenue en pratique et, en conséquence, il y aura pratiquement toujours dans les gaz de fumée un certain pourcentage qui sera incomplètement brûlé Etant donné que, parmi tous les constituants du mélange gazeux des gaz de fumée qui sont incomplétement brûlés, le CO repré- 30 sente la plus grande partie, on utilise le pourcentage de CO pour déterminer le degré de combustion complète. Toutefois, il sera évidemment possible de s'orienter sur un autre quelconque des gaz de combustion Lorsqu'on fe- ra allusion au CO dans la suite, ceci ne désiqnera nas s Dé- 35 cifiquement ce gaz mais tous les gaz de fumée d'une fa- çon générale Dans des conditions normales, il est impos- sible d'obtenir un pourcentage nul, mais des conditions 3 d'hygiène et d'environnement conduisent à imposer au pour- centage de CO une limite qui constitue un maximum admis- sible En pratique, on cherche à ne pas excêder ce pour- centage maximum admissible Lorsque l'alimentation en air 5 est réglée de telle façon que le pourcentage de CO dans les gaz de fumée reste juste dans les limites du maximum admissible, le réglage est "optimal" Le maintien de ce réglage optimal dans toutes les circonstances exige un contrôle continu de la demande d'air' En effet, à un li- 10 veau élevé de flamme, l'appareil demande plus d'air qu'à un niveau bas. L'acheminement d'air frais et l'évacuation des gaz de fumée a l'extérieur se produit par des tubes qui communiquent avec l'atmosphère extérieure à travers une 15 ouverture ménagée dans une paroi (ou dans le toit) A cet effet, on fait usage d'un appareil placé dans lesdits tubes pour promouvoir le débit de passage de l'air et/ou des gaz de fumée, par exemple, une pompe ou un ventilateur de faible puissance En dehors d'autres facteurs, la vi- 20 tesse est décisive pour le débit d'air d'entrée, ledit ventilateur étant placé; soit sur le côté d'entrée de l'air frais, soit sur le côté de sortie des gaz de combus- tion, soit sur les deux côtés Le débit d'air approprié, nécessaire pour assurer la combustion complète (le régla- 25 ge optimal), dépend entre autres de la hauteur (ou ni- veau) de la flamme dans le brûleur principal La Vitesse du ventilateur doit donc être commandée aussi bien au ni- veau bas qu'au niveau haut de la flamme. La commande de la vitesse du ventilateur peut 30 s'effectuer à la main, c'est-à-dire plus ou moins arbi- trairement, ou bien en utilisant une jauge à CO ordinaire, d'un type disponible sur le marché, et qui mesure unique- ment le pourcentage de CO, d'après lequel le consommateur commande l'admission d'air et/ou l'évacuation des gaz de 35 fumée au moyen des données ainsi obtenues Pour suivre constamment la modulation de la flamme dans toutes ses variations, cette activité de commande manuelle est prati- 4 quement impossible à réaliser Cette activité pourrait être réalisée de façon plus simple et plus confortable par une voie automatique On peut alors, également pren- dre en considération d'autres facteurs qui affectent le 5 réglage optimal du ventilateur Ce sont, en dehors de la modulation de la flamme la hauteur de la flamme ; la résistance des tubes à travers lesquels le gaz circule ; la longueur des tubes ; la section des tubes ; les fac- teurs atmosphériques (tempêtes et équivalents) Ladite 10 résistance est grande, parce que, pour des considérations esthétiques, on souhaite que les tubes qui traversent l'espace à chauffer soient aussi petits que possible. Etant donné que, en raison des divers facteurs précités, il est très compliqué de commander la combustion avec un 15 rendement élevé, la commande manuelle est impossible à réaliser en pratique et on est donc contraint à recourir- à des capteurs capables d'indiquer le débit d'air désiré -à un niveau de flamme donné. Jusqu'à présent, dans les installations de 20 chauffage à gaz, on utilisait des capteurs pour mesurer la pression du gaz et/ou le pourcentage de CO, ce dernier pour satisfaire les réglements de sécurité de l'environne- ment relatifs à ce pourcentage La commande de la demande d'air pour parvenir à un rendement de chauffage aussi éle- 25 vé que possible est un tout autre problème Les capteurs existants, qui sont destinés à mesurer la pression du pour- centage de CO dans les gaz de combustion, ne sont pas appropriés pour le but (de commande) visé et, en plus du fait qu'ils sont très coûteux, leur durabilité est res- 30 treinte Les capteurs de mesure du CO ont en général une durée de vie relativement courte et, dans la plupart des cas, ils sont utilisés pour arrêter les installations de chauffage qui en sont équipées. Le fonctionnement du capteur de CO utilisé dans 35 le dispositif selon l'invention est basé au contraire-sur la mesure du degré d'ionisation de la flamme : plus la flamme est haute, plus le degré de température de la flam- 5 me est élevé et plus les particules gazeuses sont ioni- sees, plus la combustion est complète, de sorte qu'à ce moment, on peut s'attendre à trouver un faible pourcen- tage de CO dans les gaz de combustion Le capteur pro- 5 prement dit est composé d'une ou de plusieurs électrodes disposées dans le dard (le centre)-de la flamme L'ioni- sation est mesurée entre le carter métallique du brûleur et l'électrode Le capteur basé sur la mesure du degré d'ionisation mesure donc le pourcentage du CO de façon 10 indirecte L'ionisation dépend : 10) de la dimension de la flamme ; 2 ) du degré de combustion du mélange air- gaz, de sorte qu'elle dépend ainsi du taux de combustion du gaz Si la combustion est complète, le pourcentage de CO est minimal et l'ionisation est maximale Si la com-. 15 bustion est incomplète, le pourcentage de CO est élevé et l'ionisation est faible. Compte tenu de ce qui vient d'être dit, il est évident qu'une flamme modulée ne donne pas une indication fiable du degré d'ionisation On doit donc avoir recours 20 à la flamme pilote, qui possède une dimension de flamme constante On peut également utiliser une flamme de mesu- re, expression par laquelle on comprendra n'importe quel- le autre flamme de forme constante Pour plus de commodi- té, on utilisera dans la suite l'expression "flamme pilo- 25 te" bien que cette expression désigne d'une façon plus générale une flamme de mesure La détermination du degré d'ionisation se ramène à une détermination du degré de combustion. L'invention est donc caractérisée en ce que le 30 signal créé par le capteur est transmis à un appareil, par exemple à un ventilateur, au moyen duquel le débit d'air et/ou des gaz de fumée traversant l'installation est automatiquement réglé ; et en ce que la mesure effec- tuée par le capteur est basée sur une détermination indi- 35 recte du pourcentage de CO contenu dans les gaz de fumée ou de combustion Cette mesure est avantageuse à la fois pour les appareils de chauffage à gaz à flamme modulée 6 et pour les appareils de chauffage comportant un chauf- fage central incorporé, les avantages apportés par l'in- vention étant plus marquée dans le premier cas Un avan- tage supplémentaire du dispositif selon l'invention con- 5 siste en ce que la vitesse du ventilateur associée à une température de réglage donnée, est automatiquement adap- tée à des types de gaz possédant différentes valeurs ca- loriques de combustion, de sorte que dans ces conditions encore, un rendement optimal est recherché. 10 Le seul inconvénient de la flamme pilote con- siste'en ce que un-capteur, placé dans la flamme pilote, indique un accroissement de C 02 plus tard en général que s'il avait été placé dans la flamme principale, phénomè- ne qui se révèle encore plus fort lorsque la flamme principale fonctionne à un faible niveau Ceci signifie qu'un capteur placé dans la flamme pilote possède un temps de - réponse relativement long A ce temps, on doit ajouter le temps de réponse de l'admission d'air, qui est défini par la période de temps qui s'écoule entre l'instant o un 20 ordre est donné à un ventilateur et l'instant o se pro- duit un débit d'air accéléré ou ralenti vers les brû- leurs Pour permettre au ou aux ventilateur (s) de tra- vailler dans les conditions idéales, ces organes devrai- ent être réglés automatiquement sur la vitesse correcte 25 pour chaque niveau de flamme du brûleur principal et ce- ci avec un temps de réponse aussi court que possible Si, toutefois, on voulait être guidé dans ces situations par la réponse lente de la flamme pilote, il pourrait se pro- duire que le pourcentage de CO dans les gaz de fumée de 30 la flamme principale ait déjà dépassé la limite maximum admissible tandis que ceci n'est pas (encore) indiqué par le capteur placé dans la flamme pilote C'est la rai- son pour laquelle on doit prendre soin "d'anticiper" ou "d'avancer" le moment o le pourcentage de CO dans les 35 gaz de combustion de la flamme pilote atteint la limite d'admissibilité ou ne l'excède pas encore ; en effet, dans ce cas, il n'y a encore "rien de mal" en ce qui con- 7 cerne les gaz de fumée issus de la flamme principale et le pourcentage de CO dans ces gaz de fumée reste large- ment au-dessous de la limite d'admissibilité de sorte qu'il n'y a pas de contradictions avec les règlements de 5 l'environnement On est alors absolument sûr de se trouver sur le bon côté de la limite Le fait que la réponse du capteur et celle de 1 'alimentation en air déclenchée par le ventilateur actionné par le capteur sont accompa- gnées d'un temps de retard (délai) inhérent nécessite 10 d'avancer la réaction de la flamme pilote et ceci est obtenu par ce qu'on appelle le réglage "critique" de la flamme pilote. A ce propos , il est avantageux que les circons- tances qui règnent dans la flamme pilote et autour de 15 celles-ci soient choisies de manière que le réglage de l'instant o le pourcentage de C 02 peut devenir critique pour l'environnement soit automatiquement avancé. Pour obtenir un rendement de chauffage aussi élevé que possible, il suffit de surveiller le pourcenta20 ge de CO dans les gaz de fumée de la flamme pilote, ce qui signifie régler ce pourcentage de façon critique et le maintenir identique dans des conditions variables Le capteur avec lequel le Pourcentage de CO dans les gaz de fumée de la flamme pilote est mesuré indirectement est 25 placé dans la flamme et crée un signal qui est transmis au ventilateur en vue de régler sa vitesse à l'aide d'un moyen de commande électronique (régulateur). Toutefois, une telle flamme pilote est encore affectée par la grande proximité de la flamme principale 30 modulée, de sorte que la flamme pilote est également lé- gêrement modulée avec elle Une solution à ce problème consiste à isoler la flamme pilote de la flamme principa- le au moyen d'une toile métallique ou d'un métal perforé, ce qui oblige la flamme pilote à conserver une dimension 35 constante L'allumage du brûleur principal par la flamme pilote se produit à travers une ou plusieurs ouvertures situées sur le côté inférieur de l'écran Ceci est basé 8 sur le Principe déjà appliqué dans la lampé de Davy des mineurs Le point de départ est ici le fait qu'on doit utiliser une flamme stable et non affectée par le niveau de la flamme du brûleur principal à modulation placé 5 tout près. Cet avertissement précoce relatif au pourcen- tage de CO dans les gaz de fumée peut être obtenu suivant l'invention par le fait que l'admission d'air vers la flamme pilote est réduite Cette réduction doit être exé- 10 cutée de telle manière que le pourcentage de CO dans les gaz d'échappement de la flamme pilote soit critique Ce- ci peut s'effectuer de diverses facons Etant donné que l'admission d'air se produit principalement (environ 70. %) par injection, le rapport des constituants contenus 15 dans le mélange air-gaz envoyé à la flamme pilote peut être modifié Le dispositif selon l'invention est donc caractérisé par des moyens qui étranglent ou bouchent les ouvertures d'injection d'air dans le tube d'arrivée de gaz alimentant la flamme pilote. 20 Dans une autre forme de réalisation, le dispo- sitif est caractérisé par des moyens qui obligent une partie des gaz d'échappement de la flamme pilote à revenir au tube d'arrivée de gaz muni d'ouvertures d'injec- tion d'air. 25 Dans une forme de réalisation pratique, le dispositif selon l'invention est caractérisé par un tube coudé, dont une extrémité est disposée au-dessus de la flamme pilote et dont l'autre extrémité est connectée à une ou plusieurs des ouvertures d'injection d'air ména- 30 gées dans le tube d'alimentation en gaz de la flamme pi- lote En raison de l'effet d'injection qui se produit à l'autre extrémité, une partie du mélange des gaz de com- bustion existant au-dessus de la flamme pilote est aspi- rée à travers l'extrémité libre du tube coudé, de sorte 35 que la flamme pilote est alimentée par un mélange air- gaz pauvre en air. On connaît, par le brevet français précité, 9 un capteur comportant un circuit commutateur, lequel capteur, placé dans la flamme pilote, sert à vérifier si la flamme pilote est allumée ou éteinte Si la flam- me pilote est allumée, il se crée dans le capteur un si- 5 gnal qui, après amplification, active un circuit élec- tromagnétique de manière qu'une soupape intercalée dans le flux de gaz soit ouverte Si la flamme est éteinte, ou si elle s'éteint, le signal créé dans le capteur s'interrompt immédiatement et le circuit est désexcj té 10 de sorte que, la soupape de gaz se ferme Ceci consti- tue un degré de protection élevé parce que, si le débit de gaz est défaillant pour une cause extérieure quelcon- que, de sorte que la flamme pilote s'éteint, le gaz ne peut pas serépandre automatiquement après le retour de 15 la pression, dans l'espace dans lequel la chaudière et les brûleurs sont installés, la soupape se fermant au- tomatiquement et restant fermée, de sorte qu'on doit ou- vrir la soupape manuellement pour rétablir la flamme pi- lote, la soupape restant ensuite de nouveau ouverte. 20 Ce type de protection est obtenu dans la plu- part des cas par un thermocouple ou un instrument rela- tivement lent Naturellement, il existe également une protection analogue dans-l'installation considérée mais cette protection ne fait pas elle-même partie de l'in- 25 vention. Le réglage de la température désirée se pro- duit de la façon classique, à savoir avec un régulateur à thermostat, par l'intermédiaire d'un arrêt de gaz sous l'effet duquel la flamme modulée prend une certaine 30 grandeur (amplitude) : le niveau de flamme La demande d'air de l'installation de chauffage est adaptée à ce niveau de flamme par introduction d'une quantité plus ou moins grande d'air et/ou par accélération ou retardement de l'échappement des'gaz de fumée ou de combustion Cet- 35 te demande possible est mesurée par le capteur contenu dans la flamme pilote qui "informe" le circuit électronique de ce qui se produit,, lequel commande à son tour 10 le ventilateur pour lui imprimer la vitesse appropriée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés 5 uniquement à titre d'exemple, et sur lesquels : la Fig 1 représente schématiquement une vue en élévation du dispositif selon-l'invention ; la Fig 2 est une vue en plan ; et la Fig 3 est une vue en élévation de côté de 10 ce dispositif. Sur les Fig 1 à 3, on a représenté une installation de brûleurs d'un dispositif de chauffage à gaz à flamme modulée, destiné à chauffer un local ou autre es- pace analogue On peut y observer un brûleur principal 1, 15 qui présente une flamme principale 2 et en outre, une flamme pilote 3 Ces flammes sont alimentées par un mé- lange air-gaz Le gaz d'alimentation de ces flammes est acheminé par des tubes 4 et 6 respectivement, reliés par une extrémité aux brûleurs 7 et 8 respectivement et par 20 l'autre extrémité à un bloc 10 de commande du gaz Ce bloc est également connecté à un tube Il d'alimentation en gaz, ainsi qu'à un thermostat d'ambiance modulateur 12 Le tube 4 mène au brûleur à gaz principal 7 et le tube 6 au brûleur 8 de la flamme pilote. 25 Le dispositif décrit jusqu'à présent est clas- sique dans la technique des dispositifs de chauffage à gaz Pour atteindre l'objectif visé par l'invention, le dispositif classique a été modifié à un certain nombre d'égards, afin d'être capable de mesurer le degré d'ioni- 30 sation de la flamme pilote 3, qui est indicatif du degré auquel le gaz acheminé à la flamme piloteest brûlé Dans la flamme pilote 3 est monté un capteur 13, constitué par une électrode en forme d'épingle à cheveux (Fig 3), bien que cette forme ne soitpas essentielle L'électro- 35 de 13 est connectée, par un fil métallique 14 isolé ther- miquement au moyen de perles réfractaires et par une li- gne 16, à un organe 17 de commande électronique de vites- 11 ' se, relié au bloc 10 de commande du gaz par une 11 gne 18. La flamme pilote 3 doit avoir une hauteur cons- tante, mais son niveau est affecté par la présence de la flamme principale modulée 2 Pour éviter que la flamme 5 pilote ne varie avec la flamme principale, une toile mé- tallique ou un écran 24 est interposé entre la flamme principale 2 et la flamme pilote 3 Cet écran peut éga- lement porter le capteur ou électrode 13 au moyen de rondelles 25 en céramique Naturellement, le capteur 10 peut également être monté en un autre endroit quelcon- que. La mission de l'électrode 13 formant le cap- teur placée dans la flamme pilote 3 consiste à permet- tre un réglage électronique de la vitesse A cet effet, 15 l'organe 17 de commande électronique de l'alimentation est connecté par une ligne 26 à un moteur 27 qui entra P- ne un ventilateur 28 monté dans le tuyau 29 d'évacuation des gaz de fumée, lesquels peuvent s'échapper à l'exté- rieur a travers une paroi 31. 20 L'alimentation en air de la flamme principale et de la flamme pilote s'effectue par l'intermédiaire d'un tube d'air 32, qui commence dans la paroi 31 et se termine dans la chambre de combustion de l'appareil de chauffage La flamme pilote 3 reçoit son air dans l'en- 25 vironnement immédiat par injection, des ouvertures 33 ayant été prévues dans le tube de gaz 6 à cet effet. L'avancement de l'indication du pourcentage critique de CO est réalisé ici au moyen d'un tube recour- bé 34 dont une extrémité 36 est placée au-dessus de la 30 flamme pilote 3 et dont l'autre extrémité 37 est placée au-dessus d'une ou plusieurs ouvertures 33 ménagées dans le tube de gaz 6 En raison de l'effet d'injection dans les ouvertures 33, une partie des gaz de fumée de la flamme pilote 3 est aspirée et ensuite guidée par le tu- 35 be de gaz 6 Le mélange gazeux contient donc moins d'air. De cette façon, le mélange gazeux envoyé à la flamme pi- lote est modifié artificiellement et, par conséquent, 12 le degré d'ionisation régnant dans la flamme pilote est également modifié Cette modification du degré d'ioni- sation produit un signal qui commande la vitesse du ven- tilateur par l'intermédiaire des organes 13 à 17. 5 De cette façon, si l'on règle une autre tem- pérature au moyen du thermostat d'ambiance 12, un autre rapport des constituants du mélange air-gaz correspond à cette nouvelle température. REVENDICATIONS 1 Dispositif auxiliaire destiné à etre utili- sé dans une installation de chauffage chauffée par des brûleurs à gaz ( 1), en particulier avec flamme principa- 5 le modulée ( 2) comprenant un capteur ( 13) placé dans la flamme pilote ( 3) qui transmet un signal à un organe. ( 27, 28) qu'il s'agit de commander de manière à influen- cer l'alimentation des brûleurs en l'un des constituants du mélange air-gaz, caractérisé en ce que le signal créé 10 par le capteur ( 13) est transmis à un appareil, par exemple à un ventilateur ( 20) , au moyen duquel le débit de l'air et/ou des gaz de fumée dans l'installation est au- tomatiquement réglé, et en ce que la mesure effectuée par le capteur ( 13) est basée sur une détermination indi- 15 recte du pourcentage de CO contenu dans les gaz de fumée ou de combustion. 2 Dispositif auxiliaire selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les conditions régnant dans la flamme pilote ( 3) et autour de cette flamme sont 20 choisies de telle manière que le réglage de l'instant oth le pourcentage de CO peut devenir critique pour l'envi- ronnement soit automatiquement avancé. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'acheminement de l'air à la 25 flamme pilote ( 3) est étranglé. 4 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé par des moyens qui étran- glent ou ferment les ouvertures d'injection d'air ( 33) ménagées dans le tube d'arrivée du gaz à la flamme pilo- 30 te. 5 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé par des moyens ( 34) qui obli- gent une partie des gaz d'échappement de la flamme pilote à revenir au tube d'arrivée du gaz ( 6) muni de trous 35 d'injection d'air ( 33). 6 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé par un tube coudé ( 34) dont une extrémité est disposée au-dessus de la flamme pilote ( 3) et dont l'autre extrémité est connectée à une ou plusieurs des ouvertures d'injection d'air ( 33) ménagées dans le tube d'alimentation en gaz ( 6) de la flamme pi- 5 lote ( 3). 7 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que la flam- me pilote ( 3) est protégée de la flamme principale ( 2) au moyen d'une toile métallique ou d'un métal perforé 10 ( 24), ayant pour effet que la flamme pilote présente une dimension constante.