Brevet FR2569825A1 — publié le 19860307

_-1 _ Brûleur à mélange préalable intégré et à flamme pilote intégrée. La présente invention concerne un brûleur à mélange préalable intégré et à flamme pilote intégrée. D'une façon générale, on sait que,dans un brûleur, deux fluides constitués par un combustible gazeux, tel que le propane ou le butane, et par un comburant, tel que l'air, sont mélangés de manière à former un mélange com- bustible à haut pouvoir calorifique. Dans certains types de brûleurs, ces deux fluides sont mélangés totalement avant leur introduction dans le brûleur. De tels brûleurs procurent une combustion intense de hautequalité,mais ne sont pratiquement plus utilisés, car la réalisation du mélange combustible- comburant à l'extérieur du brûleur impose des dispositions construc- tives complexes et coûteuses pour conserver à l'instal- lation une sécurité acceptable. En effet, le mélange des deux fluides dans les bonnes proportions est hautement explosif. C'est pourquoi l'usage s'est répandu d'utiliser de plus en plus des brûleurs dits à mélange au nez,qui sont alimentés séparément en air et gaz et dans lesquels le mélange est réalisé au mieux juste avant d'assurer la combustion. La simplicité de l'installation de ces brûleurs et la sécurité d'utilisation sont maximales. Toutefois, leurs performances de combustion sont moins bonnes que celles obtenues avec les brûleurs à prémélange initial. Ainsi, pour certaines applications particulières, dans lesquelles une combustion complète intensive est re- quise, on doit faire appel à des brûleurs spéciaux,géné- ralement à combustion chambréeréalisés en matériaux réfractaires et dont la construction est souvent délica- te et coûteuse. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients propres à chacun de ces types de brûleurs, _2 _ tout en conciliant les performances de la combustion, la simplicité et le faible coût de construction et d'instal- lation et la sécurité d'utilisation. Elle propose,à cet effet,un brûleur alimenté en air et gaz séparés, à mélan- ge préalable partiel intégré, à mélange intense et com- bustion rapide. Le brûleur selon l'invention se caractérise en ce qu'il comprend: - trois tubes coaxiaux dont le tube externe est ob- turé à une extrémité par une paroi de fond et dont les deux autres sont ouverts et se terminent à une extrémité à une distance prédéterminée de ladite paroi de fond, l'air comburant débouchant tangentiellement dans le tube externe au voisinage de son extrémité qui est voisine de ladite paroi de fond, tandis que le gaz débouche radia- lement à l'intérieur du tube intermédiaire également au voisinage de son extrémité voisine de la paroi de fond, le débit de l'air étant réglé pour qu'il se divise en trois courants hélicoïdaux dont deux pénètrent dans le tube externe et dans le tube interne et constituent l'air de combustion et dont le troisième pénètre dans le tube intermédiaire et forme avec le gaz un prémélange non inflammable, - de premiers moyens de déflexion montés dans le tube externe, légèrement en aval de l'extrémité de sortie du tube intermédiairede manière à rabattre le courant hé- licoldal d'air de combustion vers l'axe du brûleur et - de seconds moyens de déflexion montés à la sortie du tube intermédiaire, pour orienter le courant de pré- mélange dans l'axe du brûleur, de sorte que les deux courants susmentionnés se croisent dans la zone de mélan- ge du brûleur. Dans un mode de réalisation particulier de l'inven- tion, lesdits moyens de déflexion sont constitués par au moins un diaphragme monté dans le tube externe,légèrement en aval de l'extrémité de sortie du tube intermédiaire, et par des ailettes radiales longitudinales,montées entre le tube intermédiaire et le tube interne,au voisinage de l'extrémité de sortie de ces derniers. -3- La formation d'un prémélange homogène est assurée par le mouvement giratoire du courant d'air, lequel mou- vement se conserve dans le tube intermédiaire. Ce courant rencontre à angle droit le courant radial du gaz, et se mélange donc intimement avec lui. Le prémélange ainsi formé se propage vers la sortie de la chambre intermé- diaire selon un mouvement sensiblement hélicoïdal. Le courant giratoire du prémélange est transformé par les ailettes en un jet linéaire sensiblement coaxial aux tubes, tandis que le courant giratoire d'air de com- bustion, est rabattu par le diaphragme vers l'axe du brd- leur sous forme d'un jet centripède perpendiculaire au jet du prémélange. Ces deux jets se mélangent donc inti- mement et forment un mélange combustible de parfaite ho- mogénéité. On notera que le jet centripète d'air combustible conserve un mouvement giratoire, qui entraine dans son mouvement le jet axial de prémélange. Le mélange final a donc lui aussi un effet giratoire propice à l'obtention d'une "flamme boule" qui, comme on le sait, a un faible volume et une haute intensité de combustion, du fait de la recirculation des gaz brûlés devant le diaphragme. Celui-ci,étant refroidi par l'air de combustion, ne chauf- fe que très peu et peut donc être réalisé en acier ordi- naire. Le prémélange contenant une faible proportion de l'air de combustion,qui a pénétré par le tube intermé- diaire et a servi à entraîner le gaz,est ininflammable. D'autre part, le redressement opéré par les ailettes sur l'écoulement giratoire du prémélange a pour effet de conférer au jet de prémélange sortant au nez du brû- leur une vitesse axiale maximale. On comprend que tout risque de retour de flamme est ainsi éliminé. La flamme obtenue esttrès stable, sans que l'on ait à utiliser, comme il est d'usage, des dispositifs spéciaux, tels qu'un ouvreauréfractaire. La combustion très rapide et la forme de la flamme, d'une part, la recirculation des gaz brûlésau nez du brdleur,d'autre part, permettent d'utiliser le -4- brûleur selon l'invention dans une chambre de combustion de faible volume, ou sans chambre directement dans l'en- ceinte thermique à chauffer. Lorsque la combustion est chambrée, la chambre peut être métallique et froide, sans risque de'trempage de flamm", ,ni de formation d'im- brûlés. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube central présente, dans la zone se trouvant en regard des ailettes, au moins un orifice,qui permet de dériver une fraction du débit de prémélange qui s'écoule dans le tube intermédiaire, vers le tube central, ledit ori- fice étant surmonté,immédiatement en amont, par un obstacle ou un diaphragme annulaire monté dans le tube central. Grace à la prévision de l'orifice et du diaphrag- me annulaire, un faible débit de prémélange est prélévé dans le tube intermédiaire et vient se mélanger avec l'air de combustion qui circule dans le tube centralen donnant un mélange à régime laminaire, dépourvu de toute turbulence. En effet, l'air de combustion qui s'écoule dans le tube central étant freiné par le diaphragme an- nulaire, il se crée sous ce dernier une zone morte o règne une dépression qui contient l'orifice. Un débit de prémélange est donc aspiré à travers ledit orifice par la dépression. Ce débit se mélange avec l'air qui circule dans le tube central pour former un mélange laminaire qui donne naissance àune flamme intérieure à la flamme prin- cipale qui est accrochée au diaphragme de sortie. Cette flamme, qui est d'une grande stabilité, constitue une véritable flamme pilote d'allumage intégrée dans le brû- leur, ce pilote est, bien entendu, à fonctionnement per- manent, mais une alimentation en gaz indépendante de l'alimentation principale est également facilement réa- lisable. La grande stabilité de la flamme pilote rend possi- ble la mise en place d'un dispositif de contr8le de flamme à ionisation, qui, comme on le sait, ne fonction- ne correctement que si son électrode se trouve -5- constamment plongée dans une zone o la combustion est particulièrement stable. Dans le cas présent, l'électro- de du dispositif de contrôle de flamme est placée dans la flamme pilote. Il va de soi que l'on peut utiliser également tout autre type connu de dispositif de contrôle de flamme, par exemple celui à cellule à ultraviolet. Dans ce cas, le tube central servira de tube de visée, une fenêtre transparente étant formée sur la paroi de fond du tube externe pour l'observation de la cellule. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit à présent en détail, à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin annexé,sur lequel: La figure 1 est une vue en plan du brûleur dans le sens de la flèche F de la figure 2; et La figure 2 est une vue en coupe axiale suivant la ligne II - II de la figure 1. Le brûleur représenté sur les figures est constitué de trois éléments tubulaires métalliques 10, 12, 14, par exemple en acier, montés coaxialement l'un par rap- port à l'autre. Le tube externe 10 est fermé à une extré- mité par une paroi de fond 16 et est ouverte à l'autre extrémité. Au voisinage de ladite extrémité, le tube externe 10 est muni sur sa paroi interne d'un diaphrag- me annulaire 18 destiné à restreindre la section de pas- sage du tube. Le tube intermédiaire 12 a un diamètre nettement inférieur à celui du tube externe de manière à former avec celui-ci une chambre externe 20. De même, le tube interne 14 définit avec le tube 12 une chambre intermé- diaire 22 et intérieurement, une chambre interne 24. Les tubes 12 et 14 ont pratiquement la même lon- gueur et sont plus courts que la portion de tube externe comprise entre la paroi de fond 16 et le diaphragme 18. Ils sont positionnés à l'intérieur dudit tube externe de manière que les chambres 20, 22 et 24 communiquent entre elles à leurs deux extrémités. Le tube externe 10 présente au voisinage de la paroi - 6 - de fond 16 un orifice 26,dans lequel se raccorde tangen- tiellement une canalisation 28 d'alimentation en air de combustion, reliée à un ventilateur. Le gaz est amené dans la chambre intermédiaire 22, à une pression supérieure à celle de l'air, au moyen d'une canne longitudinale 30, qui est emmanchée à tra- vers un orifice percé dans la paroi de fond 16 et qui est encastrée dans une échancrure formée à l'extrémité supé- rieure du tube intermédiaire 14. La portion de la canne qui est intérieure à la chambre intermédiaire 22 est pourvue d'une pluralité d'orifices 32,par lesquels le gaz s'écoule selon une direction radiale. Le tube intermédiaire 12 se termine à son extrémité inférieure par un diaphragme annulaire 34 s'étendant vers l'extérieur, au-dessus du diaphragme 18, de façon à former avec lui un passage à chicane 36,de direction sensiblement axiale. Le tube interne 14 est muni sur sa paroi externe, dans sa position terminale inférieure, d'une pluralité d'ailettes longitudinales 38, s'étendant radialement jusqu'au tube intermédiaire 12. Dans sa portion qui est munie d'ailettes, le tube interne est percé de deux orifices 40 répartis sur une section droite du tube in- terne. De plus, ce dernier est muni sur sa paroi inter- ne, immédiatement au-dessus des orifices, d'un diaphrag- me annulaire 42,qui s'étend vers le centre du tube interne de façon à en restreindre la section de passage. Le fonctionnement du brûleur qui vient d'être décrit est le suivant: L'air qui arrive par la canalisation 28 pénètre tangentiellement dans la chambre externe 20 et se divise en: - un courant externe et un courant central d'air de combustion s'écoulant tous deux selon un mouvement héli- coîdal, respectivement dans la chambre externe 20 et dans la chambre centrale 24, et - un courant intermédiaire de faible débit,qui s'écoule dans la chambre intermédiaire 22 également -7 selon un mouvement hélicoïdal. Ce courant rencontre le jet radial de gaz émis à travers les orifices32, sous un angle pratiquement droit,ce qui assure un brassage énergique de l'air et du gaz et permet d'obtenir un prémélange homogène. Ce prémélange se déplace le long du tube intermédiaire selon un mouvement hélicoïdal, puis il est orienté axialement par les ailettes 38, de sorte qu'il arrive aunez 44 dnbrûleur avec une vitesse de sortie axiale maximale. L'air de combustion qui s'écoule dans la chambre externe 20 passe à-travers le passage 36 défini entre les diaphragmes 18, 34,qui l'orientent vers l'axe du brû- leur. Les jets d'air de combustion et de prémélange se rencontrent donc, au nez du brûleur, à angle droit, pour former un mélange inflammable homogène. L'effet giratoire du courant d'air de combustion se conserve dans le mélan- ge obtenu, ce qui favorise la recirculation des produits de combustion dans la zone de mélange et donc l'obtention d'une combustion en "flamme boule" caractérisée par une flamme 45 de faible volume et du haute intensité de com- bustion. De plus, tout risque de retour de flamme est exclu puisque en amont du nez du brûleur, le prémélange circu- lant dans la chambre intermédiaire 22 est trop riche en gaz pour être inflammable. La flamme obtenue est particulièrement stable,sans qu'il soit nécessaire d'adjoindre au brûleur un dispo- sitif spécial, tel qu'un ouvreau réfractaire. Malgré la haute température de la flamme, le diaphragme 18 ne chauffe que très peu,du fait qu'il est refroidi par 'air de combustion. C'est pourquoi, et c'est là un avantage important de l'invention, les tubes peuvent être réali- sés en acier ordinaire. En raison de la rapidité et de la forme de la flum- me obtenue, le brûleur peut ne comporter qu'une chambre de combustion 46 de très faible volume, comme le montre la figure 2, ou pas de chambre du tout. Le tube central 14 peut recevoir un dispositif de -8- contrôle de flamme du type à cellule, non représenté. Une fenêtre de visée transparente 48 est alors formée dans la paroi de fond 16 pour l'observation de la cellule. On peut mettre en place dans le tube central l'élec- trode d'un dispositif de contr81e de flamme à ionisation. Ainsiqu'on l'a expliqué précédemment,cette électrode doit être placée dans une zone de grande stabilité de flamme pour que le courant qu'elle fournit puisse être représentatif de l'état de fonctionnement du brûleur. Dans le brûleur représenté à la figure 2,cette zone est localisée en 50 à l'intérieur du tube central, en aval du diaphragme interne 42. En effet, ce dernier, en freinant l'écoulement du courant d'air de combustion qui s'écoule dans la chambre interne, crée sous lui une zone morte dépressive. La dépression a pour effet d'as- pirer à traversles orifices 40 un faible débit de prémé- lange,qui rencontre ltair de combustion qui s'écoule dans la chambre centrale pour former un mélange inflam- mable non giratoire. On obtient donc une petite flamme centrale 52 très stable,qui s'accroche sur le diaphrag- me interne 42 et qui constitue une véritable flamme pilote d'allumage intégréeau brûleur. Cette flamme pilote peut être facilement allumée par un dispositif classique d'étincelage à haute tension, puis allume à son tour la flamme principale du brûleur. L'allumage dece pilote très fiable et le circuit court du gaz combustible autorisent des temps d'alluma- ge inférieurs à une seconde, procurant ainsi une sécuri- té supérieure à celle de la plupart des brûleurs du com- merce et permettant en particulier l'emploi du brûleur en toute sécurité sur des enceintes de très faible volume ou à forte perte de charge. On notera encore la simplicité de la structure et de l'assemblage du brûleur selon l'invention. Il peut être réalisé au moyen d'éléments courantsdu commerce, tels que des tubes et diaphragmes en acier, qui peuvent être solidarisés entre eux à l'aide de moyens appropriés économiques. C'est ainsi par exemple que le tube 9- intermédiaire 12 peut être fixé en position coaxiale dans le tube externe 10 au moyen de boulons qui traver- sent des pattes faisant saillie à son bord supérieur et,sur la face interne 14, il est maintenu en position centrée,par rapport au tube intermédiaire, par les ailet- tes 38 qui prennent appui sur ce dernier. De plus, il est maintenu contre tout déplacement axial par la canne d'amenée de gaz 30. Le brûleur selon l'invention permet néanmoins de réaliser une combustion rapide, stable et complète, avec un transfert intense de chaleur, sans qu'aucune pièce du brûleur n'ait à supporter de contrainte thermique parti- culière. - 10 - REVENDICATIONS 1.- Brûleur à mélange préalable, intégré, caracté- risé en ce qu'il comprend: - trois tubes coaxiaux (10, 12, 14),dont le tube externe (10) est obturé à une extrémité par une paroi de fond (16) et dont les deux autres (12, 14) sont ouverts et se terminent àune extrémité à une distance prédéterminée de ladite paroi de fond, l'air comburant débouchant tangentiellement dans le tube externe au voisinage de son extrémité qui est voisine de ladite paroi de fond (16), tandis que le gaz débouche radiale- ment à l'extérieur du tube intermédiaire (12), également au voisinage de son extrémité voisine de la paroi de fond,le débit de l'air étant réglé pour qu'il se divise en trois courants hélicoldaux,dont deux pénètrent dans le tube externe et dans le tube interne et constituent l'air de combustion et dont le troisième pénètre dans le tube intermédiaire (12) et forme avec le gaz un prémélange non inflammable, - de premiers moyens de déflexion (18, 34) montés dans le tube externe, légèrement en aval de l'extrémité de sortie du tube intermédiaire,de manière à rabattre le courant hélicoïdal d'air de combustion vers l'axe du brûleur et - de seconds moyens de déflexion (38) montés à la sortie du tube intermédiaire, pour orienter le courant de prémélange dans l'axe du brûleur, de sorte que les deux courantssusmentionnés se croisent dans la zone de mélange du brûleur. 2.- Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déflexion sont constitués par des ailettes radiales longitudinales (38),montées entre le tube intermédiaire et le tube interne au voi- sinage de l'extrémité de sortie de ces derniers,et par au moins un diaphragme (18),monté dans le tube externe (10) légèrement en aval de l'extrémité de sortie du tu- be intermédiaire (12). 3.- Brûleur selon la revendication 2, caractérisé - 11 - en ce que le tube externe (10) est muni sur sa paroi interne d'un premier diaphragme annulaire (18) s'éten- dant vers l'intérieur et situé sous l'extrémité de sortie du tube intermédiaire (12), et en ce que ce der- nier est muni à son extrémité de sortie d'un second dia- phragme annulaire (34) s'étendant vers l'extérieur, lesdits premier et second diaphragmes définissant entre eux un passage annulaire à chicanes (36), dans lequel le courant d'air de combustion qui arrive du tube externe est rabattu vers l'axe du brûleur. 4.- Brûleur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le tube central (14) pré- sente, dans la zone se trouvant en regard des ailettes (38), au moins un orifice (40) qui permet de dériver une fraction du débit de prémélange qui s'écoule dans le tube intermédiaire (12) vers le tube central (14), ledit orifice étant surmonté, immédiatement en amont, par un obstacle ou un diaphragme annulaire monté dans le tube central et sur lequel se développe une flamme centrale pilote (52). 5.- Brûleur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de contrôle de flamme est monté dans le tube central, dans la région de la flamme pilote. 6.- Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un dispositif de contrôle de flamme du type à cellule à ultra-violet est placé dans la paroi de fond (16) présentant une fenêtre de visée (48). 7.- Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle de flamme est du type à ionisation, dont l'électrode est plongée dans la flamme pilote. 8.- Brûleur selon les revendications 4 à 7, carac- térisé en ce qu'un dispositif d'allumage électrique est monté dans le tube central dans la région de la flamme pilote.