Brevet FR2556077A1 — publié le 19850607

i 2556077 L'invention concerne un brûleur à pulvérisateur à ultra-sons pour petits appareils de chauffage, en particu- lier d'enceintes mobiles, par exemple de véhicules, de voitures habitables ou de caravanes, plus précisément d'une puissance de chauffage de préférence inférieure à 10 kW. Les appareils de chauffage de véhicule de ce genre sont soumis à des exigences très différentes selon qu'on les utilise seulement peu de temps pour préchauffer l'agent de refroidissement du moteur du véhicule ou l'habitacle d'un tel véhicule, ou qu'on les utilise en service permanent pour maintenir une température déterminée de l'agent de refroidissement ou de l'habitacle; on fait principalement fonctionner ces appareils à pleine puissance, avec mise en action et hors d'action commandée par un thermostat. Par le brevet DE 23 33 880 et le DE - OS 24 50 801, on connaît des constructions de brûleurs à pulvérisateur à ultra-sons qui sont dérivés des pulvérisateurs usuels sous pression; ils présentent une amenée axiale de l'air combu- rant à une couronne d'aubes directrices engendrant une - rotation, ils donnent donc de grandes sections d'air conti- nues avec une petite vitesse d'entrée dans la chambre de combustion. Or, comme on l'expliquera plus loin, cela compor- te des inconvénients de principe. L'invention a pour but d'indiquer un brûleur à pulvérisateur à ultra-sons, d'une puissance de chauffage de préférence inférieure à 10 kW, qui donne la meilleure com- bustion possible, donc qui cause une faible émission de gaz d'échappement et qui ne nécessite qu'une petite consommation de courant au démarrage. Ce problème est résolu selon l'invention,-par le fait que le pulvérisateur muni d'un point d'amenée de com- bustible est disposé de façon centrée, avec un plateau de pulvérisation baigné par 1 % au maximum de la quantité d'air comburant, sur la paroi frontale d'une chambre de combustion cylindrique, dont l'autre extrémité présente un diaphragme à flamme et à la suite de celui-ci, un tube de sortie de gaz de chauffage à direction d'écoulement axiale et que la chambre de combustion présente une zone d'allumage munie de perforations de paroi pour l'accès d'air primaire et conte- 2 2556077 nant une bougie d'allumage à haute tension de préférence disposée radialement et, à la suite de cette zone, une zone de combustion complète munie de fentes de paroi pour l'accès d'air secondaire. Des développements avantageux de l'inven- tion sont indiqués plus loin. Les jets d'air primaire entrant radialement par les perforations prévues selon l'invention dans la paroi de la chambre de combustion, dans la zone d'allumage, divisent le jet lent de brouillard de combustible partant du plateau de pulvérisateur, de sorte que l'on obtient une bonne formation du mélange. Ainsi, on atteint et on améliore, avec des pulvé- risateurs à ultra-sons, les conditions de mélange et de combustion complète qui ne peuvent être obtenues autrement qu'avec des pulvérisateurs sous pression. La raison en est que dans le pulvérisateur sous pression, les gouttelettes de combustible sont déplacées à une grande vitesse relative par l'air comburant environnant, ce qui crée de bonnes conditions pour la formation du mélange. Par contre, dans le pulvérisa- teur à ultra-sons, les gouttelettes de combustible ne quit- tent la surface de pulvérisation qu'avec une vitesse relative- ment réduite, par suite de la pulvérisation basée sur l'effet de moutonnement, le brouillard de combustible est par consé- quent lent. Ainsi, l'énergie de mélange doit être appliquée dans une large mesure par l'air comburant. La bougie d'allu- mage à haute tension disposée radialement dans la région de la zone d'allumage sert à enflammer le mélange. Dans la zone de combustion complète, des fentes d'accès d'air secondaire ayant un rapport longueur/largeur d'environ 7 ont donné le meilleur résultat. Les jets d'air dirigés vers l'intérieur assurent un brassage supplémentaire intense. Par l'application d'une amenée d'air tangentielle à l'entrée du brûleur, on engendre dans la chambre de combustion un écoulement tourbillonnant qui, d'une part, rend symétri- ques les conditions d'écoulement dans la chambre de combus- tion, d'autre part, favorise, par force centrifuge, le transport de combustible vers la bougie d'allumage éloignée radialement. Cela permet d'utiliser des bougies d'allumage à moindre longueur d'électrodes, de sorte que la bougie 3 2556077 d'allumage joue moins le rôle d'un corps perturbateur en ce qui concerne la géométrie d'écoulement dans la chambre de combustion. En outre, la fatigue thermique de la bougie d'allumage est diminuée et ainsi, sa longévité est améliorée. Pour obtenir des conditions optimales, il faut choisir cor- rectement la composante de torsion de l'écoulement. Avec une trop grande torsion, les propriétés d'allumage deviennent à nouveau plus mauvaises et la flamme a tendance à l'insta- bilité. On obtient un mode d'exécution avantageux si les fentes à air secondaire font avec l'axe longitudinal de la chambre de combustion un angle qui est, de préférence, d'environ 60 et si l'air comburant est introduit tangen- tiellement dans les cavités annulaires raccordées à la chambre de combustion. On choisit la force de rotation et le sens de rotation de façon telle que le vecteur vitesse soit approximativement perpendiculaire à l'extension longi- tudinale des fentes à air secondaire. Selon un mode d'exécution, la chambre de combustion est entourée de tous côtés avec espacement par une enveloppe et à la cavité intermédiaire formée, tout l'air comburant est amené avec une action de refroidissement et il est ensuite divisé en air primaire et secondaire au moyen des perforations et des fentes. Pour diminuer l'afflux de chaleur au pulvérisateur, partiellement formé de piézocéramique et donc sensible à la chaleur, la zone d'allumage peut, selon un autre mode d'exécution, être équipée d'un élément inséré en tôle à paroi mince qui s'applique par des saillies contre la paroi cylindrique et frontale de la chambre de combustion. Cet élément inséré-en tôle a, en outre, une autre fonction importante. Les saillies servant à l'espacer de la paroi de la chambre de combustion constituent une grande résistance à la conduction de chaleur. En outre, le transfert de chaleur par convection vers l'extérieur est limité, puisque la fraction de l'air qui s'écoule par les perforations à air primaire est petite relativement à la quantité totale d'air. Il s'ensuit que l'élément inséré en tôle atteint une température notablement plus élevée que les parois de la chambre de combustion qui l'entourent. On peut ainsi diminuer - 4 -'zU7 de façon décisive le risque de dépôt de noir de fumée ou de cokéfaction dans ces zones de la chambre de combustion. Un autre mode d'exécution utilise un élément inséré en tôle de forme un peu différente. La distance entre l'élément inséré en tôle et la paroi de la chambre de com- bustion est seulement d'environ 0,5 mm, ce que l'on obtient en donnant des dimensions appropriées aux saillies. Lors de la fabrication de la chambre de combustion, on poinçonne les perforations à air primaire à travers les deux côtés, de l'extérieur vers l'intérieur, en une même opération. Par suite de la bavure de poinçonnage formée sur la paroi de la chambre de combustion, l'interstice local agissant lors du transfert d'air comburant à la cavité intermédiaire est diminué. Par suite, l'élément inséré en tôle est moins refroidi par convection, par l'air s'écoulant dans la cavité intermédiaire, que dans l'exemple d'exécution décrit plus haut. Par suite, la tendance à la cokéfaction dans la zone d'allumage de la chambre de combustion est encore diminuée. Un inconvénient de cette exécution est la dépense de fabrication un peu plus élevée. Un autre mode d'exécution utilise, au lieu de l'élément inséré en tôle, une couche isolante appliquée sur les parois de la chambre de combustion. Cette couche peut, par exemple, être formée d'une céramique appliquée par projection à la flamme. D'autres variantes consistent à utiliser de minces tapis de céramique en fibres ou de métal filé, comme ceux que l'on utilise habituellement, dans les brûleurs à évaporation, comme "mèche". Ces tapis, par leur effet d'aspiration et leur grande surface due à la structure fibreuse, outre qu'ils ont un effet d'isolation, ont encore pour avantage de préparer efficacement les gouttelettes de liquide atteignant éventuellement la paroi et de les conduire à une combustion sans résidu.'Les tapis peuvent être fixés mécaniquement à la paroi de la chambre de combus- tion, au moyen de pattes de retenue, ou au moyen d'un ciment résistant à la chaleur. Selon un mode d'exécution, tout -l'air comburant passe devant le pulvérisateur, à-l'intérieur d'un carter frontal de fermeture de l'enveloppe de la chambre de com- 2556077 bustion et le pulvérisateur est ainsi refroidi de façon per- sistante. La petite quantité d'air qui baigne le plateau de pulvérisateur et qui, selon un autre mode d'exécution, a baigné au préalable la corne du pulvérisateur et est limitée, par une perforation étranglée du tronçon de tube enveloppant, à 1 % au maximum de la quantité d'air comburant, sert seule- ment au balayage et à la dissipation de chaleur, donc à maintenir libres et propres les endroits déterminants pour la pulvérisation. La disposition centrée en -elle-même connue du pulvérisateur sur la paroi frontale de la chambre de combustion assure une préparation uniforme du mélange sur toute la section de la chambre de combustion; le diaphragme à flamme disposé à l'extrémité de la chambre de combustion favorise le recyclage de gaz de combustion chauds, important pour une bonne formation du mélange. L'invention est expliquée à propos de deux exemples d'exécution représentés par les dessins, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un brûleur à pulvérisateur à ultra-sons de ce genre, avec tube axial de sortie de flamme, et la figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle d'un brûleur à pulvérisateur à ultra-sons un peu modifié, présentant un élément inséré en tôle pour la zone d'allumage et un diffuseur de sortie axial. Selon ces figures, un pulvérisateur à ultra-sons 1, muni d'un point d'amenée de combustible la et d'un plateau de pulvérisateur lb baigné par une très petite partie de la quantité d'air comburant, est disposé de façon centrée sur la paroi frontale 7a d'une chambre de combustion cylindrique 7, exempte d'agencements intérieurs; il est entouré de tous côtés, avec espacement, par un carter frontal de ferme- ture 14 d'une enveloppe 10, enveloppant la chambre de com- bustion de tous côtés avec espacement; à la cavité inter- médiaire 12b entourant le pulvérisateur est amenée, pour le refroidissement intense de la piézocéramique, à peu près la totalité de l'air comburant qui afflue alors, en passant par des ouvertures de passage d'une paroi transversale 7e dispo- sée à l'intérieur du carter de fermeture, à la cavité inter- 6-- 2556077 médiaire 12 entourant la chambre de combustion. La surface de cette dernière est doublée totalement ou partiellement d'une couche calorifuge, les perforations de passage 4 étant ménagées. La tubulure 16 qui sert à l'amenée d'air comburant est disposée sur le carter 14 avec décalage relativement à l'axe longitudinal du brûleur, pour permettre un afflux tangentiel de l'air. La chambre de combustion présente, à la suite de sa paroi frontale 7a, une zone d'allumage 3 munie de perfora- tions de paroi 4 pour l'accès d'air primaire venant de la cavité intermédiaire 12, zone qui contient aussi une bougie d'allumage à haute tension placée radialement et à la suite de celle-ci, une zone de combustion complète 5, munie de fentes de paroi 6 pour l'accès d'air secondaire venant de la cavité intermédiaire 12. La corne lc du pulvérisateur est enveloppée par un tronçon de tube 7b relié à la paroi fronta- le 7a de la chambre de combustion et muni d'une perforation étranglée 7c pour le passage de l'air baignant le plateau; le tronçon de tube 7b fait corps avec la paroi transversale 7e contre laquelle le pulvérisateur 1 est poussé de façon souple par un ressort Belleville 13, à l'intérieur du carter de fermeture. Selon la figure 1, à l'autre extrémité de la chambre de com- bustion 7 est disposé un diaphragme à flamme 9 et à la suite de celui-ci, un tube de sortie de gaz de chauffage 8, à direc- tion d'écoulement axiale. Selon la figure 2, la zone d'allumage 3 est munie d'un élément inséré 11 qui est formé de deux tôles minces présentant un espacement d'environ 1 à 2 mm. Aussi bien à la paroi circonférentielle qu'à la paroi frontale de cet élément inséré sont formées, par repoussage, des saillies lla par lesquelles il s'applique contre les endroits correspondants de la chambre de combustion. La paroi cylindrique de la chambre de combustion présente dans la région de la zone d'allumage, de façon non représentée, des ouvertures de passage destinées à l'air primaire; celui-ci afflue ici, de la cavité intermédiaire 12, à la cavité intermédiaire 12a formée entre la chambre de combustion et l'élément inséré 11 ?7 2556077 et de là, en passant par les perforations 4 mentionnées, qui sont alignées sur les perforations 4 correspondantes de la paroi de la chambre de combustion 7, à la zone d'allumage 3, tandis que l'air secondaire, comme selon la figure 1, arrive directement de la cavité intermédiaire 12, par les fentes d'accès 6, à la zone de combustion complète. A l'extrémité de l'élément inséré 11 qui se trouve à l'opposé du pulvéri- sateur est prévu.un bourrelet d'étanchéité 15, fermé en direction circonférentielle, qui empêche l'air primaire de sortir axialement vers la zone de combustion complète. A l'autre extrémité de la chambre de combustion est à nouveau disposé un diaphragme à flamme 9, mais à la suite de celui- ci, est monté un diffuseur 8a de sortie de gaz de chauffage, à direction d'écoulement axiale. Comme on l'a déjà expliqué dans le préambule, cette disposition peut avantageusement être modifiée par le fait que la chambre de combustion 7 et l'élément inséré 11 pré- sentent des perforations poinçonnées conjointement, 4. Cela n'est pas représenté sur la figure 2. 8 2556.077 -R E V E ND I C A T I ON S- 1. Brûleur à pulvérisateur à ultra-sons pour petits appareils de chauffage, en particulier d'enceintes mobiles, par exemple de véhicules, caractérisé en ce que le pulvérisa- teur (1) muni d'un point d'amenée de combustible (la) est, disposé de façon centrée, avec un plateau de pulvérisation(lb) baigné par 1 % au maximum de la quantité d'air comburant, sur la paroi frontale (7a) d'une chambre de combustion cylindri- que (7), dont l'autre extrémité présente un diaphragme à flamme (9) et à la suite de celui-ci,-un tube de sortie de gaz de chauffage (8) à direction d'écoulement axiale et en ce que la chambre de combustion présente une zone d'allumage (3) munie de perforations de paroi (4) pour l'accès d'air primaire et contenant une bougie d'allumage à haute tension (2) de préférence disposée radialement et, à la suite de cette zone, une zone de combustion complète (5) munie de fentes de paroi (6) pour-l'accès d'air secondaire. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ia chambre de combustion (7) est enveloppée de tous côtés avec espacement-par une enveloppe (10), et en ce qu'à la cavité intermédiaire formée (12) est amené à peu près tout l'air comburant qui est ensuite divisé en air primaire et secondaire. 3. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone d'allumage (3) est munie d'un élément inséré en tôle (11) à paroi mince, muni de perforations d'accès d'air (4) et qui s'applique, par des saillies (11a) contre la paroi cylindrique de la chambre de combustion (7), munie d'au moins une ouverture de passage pour l'air comburant, ainsi que contre sa paroi frontale, la cavité intermédiaire formée (12a) étant parcourue par de l'air primaire, tandis qu'un bourrelet circonférentiel d'étanchéité (15) empêche la sortie axiale d'air primaire - vers la zone de combustion complète (5). 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément inséré en tôle (11) présente des perforations d'accès d'air (4) qui sont alignées sur les perforations correspondantes (4) de la paroi de la chambre de combustion (7). 9 2556077 5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface de la chambre de combustion est doublée totalement ou partiellement d'une couche calorifuge, les perforations de passage (4) étant ménagées. 6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche calorifuge est formée d'une céramique appliquée sur les parois (7, 7a) de la chambre de combustion. 7. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche calorifuge est formée d'un mince tapis de céramique en fibres. 8. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche calorifuge est formée d'un mince tapis de métal filé. 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fentes à air secondaire (6) font un angle avec l'axe longitudinal du brûleur et le vecteur vitesse de l'air comburant dans la cavité annulaire (12) est à peu près perpendiculaire à l'extension longitudi- nale des fentes. 10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le pulvérisateur (1) est enveloppé de tous côtés avec espacement par un carter frontal de fermeture (14) qui est relié à l'enveloppe (10), et en ce que dans la cavité intermédiaire formée (12b), tout l'air comburant est introduit par une tubulure (16) disposée tangen- tiellement. 11. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la corne (lc) du pulvérisateur (1) est enveloppé par un tronçon de tube (7b) muni d'une perforation étranglée (7c) et relié à la paroi frontale (7a) de la chambre de combustion (7). 12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le pulvérisateur (1) est poussé par un ressort Belleville (13), à l'intérieur du carter de fermeture (14), contre une paroi transversale (7e), reliée au tronçon de tube enveloppant (7b) ou faisant corps avec celui- ci et munie d'ouvertures de passage (7d) pour l'air comburant. 2556077 13. Br leur selon l'une -quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la sortie de gaz de chauffage est conçue sous forme de diffuseur (8a).