Brevet FR2593270A1 — publié le 19870724

L'invention concerne un régulateur d'alimentation pour un brûleur à gaz et sa combinaison avec un brûleur. Pour moduler la puissance moyenne d'un brûleur destiné, par exemple, à chauffer l'eau d'une installation de chauffage, il est évidemment connu de faire fonctionner ledit brûleur par intermittence, c'est-à-dire en fonctionnement en "tout ou rien" basé sur des séquences "marche-arrêt". Ce type de fonctionnement est généralement néfaste à cause des chocs thermiques, des variations de dilatation et de pression et de l'usure des différents composants (électrodes, électrovannes, relais...) dont la durée de vie est généralement calculée sur un nombre maximal de manoeuvres. En outre, pour pouvoir atteindre rapidement une température désirée, il est parfois nécessaire de surdimensionner l'échangeur. C'est pourquoi, même si l'on conserve un fonctionnement en "marche-arrêt", il est utile de pouvoir moduler la puissance du brûleur en fonctionnement. Pour faire varier la puissance d'un brûleur à gaz, il suffit de modifier le débit de sortie du mélange de combustion air-gaz entre un minima et un maxima dont les limites sont constatées respectivement par des rentrées de flamme et un décrochage de flamme, au niveau de la grille de combustion. En outre, il est connu que le rendement de combustion d'un brûleur à gaz dépend essentiellement du mélange stoechiométrique air-gaz et donc du rapport de proportions de ces deux fluides, qui doit rester sensiblement constant et égal, et à une valeur déterminée (par exemple rapport air-gaz égal à 10). Comme il est très difficile ou impossible de moduler le débit de sortie du mélange au niveau de la grille de combustion, on a cherché à réaliser une modulation sur les débits d'alimentation du gaz et de l'air. Il existe deux types essentiels de brûleurs à gaz: les brûleurs atmosphériques et les brûleurs à flamme de pré-mélange. Les brûleurs atmosphériques permettent une combustion avec un excès d'air dont la maîtrise du débit est très difficile, de telle sorte qu'il n'est pas possible de maintenir un rapport constant entre les proportions d'air et de gaz, le rendement de combustion étant ainsi variable et non optimisé. Dans les brûleurs à flamme de pré-mélanges, il existe des systèmes de régulation conçus pour réguler le rapport des débits d'air et de gaz tout en autorisant une variation du débit du mélange. Ces systèmes permettent une régulation dite "régulation à zéro" en asservissant le débit de gaz à l'arrivée d'air, cette dernière étant modulée en fonction de la température souhaitée. Les régulateurs pour ces systèmes sont complexes et onéreux (nécessitant notamment des membranes et des clapets) et présentent des inconvénients, plus particulièrement à petite puissance. En outre et surtout, ces systèmes connus ne permettent de faire varier le débit du mélange air-gaz et donc la puissance, que dans des proportions réduites. Il est également important de noter qu'un rapport des débits d'air et de gaz à l'entrée du brûleur n'entraîne pas nécessairement le même rapport de proportions air-gaz dans le mélange en sortie sur la grille de combustion étant donnée la résistance aéraulique du brûleur pour chacun de ces fluides. De plus, une variation du rapport des débits d'alimentation n'entraîne pas la même variation du rapport de proportions des fluides dans le mélange de telle sorte que, pour obtenir une variation de débit du mélange de combustion tout en maintenant une proportion stoechiométrique dudit mélange, il est généralement nécessaire de faire varier les débits d'alimentation d'air et de gaz selon un rapport non constant. C'est pourquoi l'inventeur a cherché et imaginé un régulateur d'alimentation d'un brûleur à gaz qui permet une modulation de puissance dans les meilleures conditions de rendements et dans une plage de variation importante, tout en étant simple, fiable et peu onéreux. Le régulateur d'alimentation pour brûleur à gaz selon l'invention est remarquable en ce qu'il présente deux circuits distincts pour respectivement l'air et le gaz, chaque circuit comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie communiquant entre eux par au moins une lumière, les orifices d'entrée étant destinés à être reliés à des moyens d'alimentation des fluides respectivement air et gaz et les orifices de sortie étant destinés à être branchés sur le brûleur, tandis que les lumières peuvent être plus ou moins obturées chacune en fonction du déplacement d'un obturateur disposé de manière mobile dans le régulateur. Selon un mode de réalisation préféré, les obturateurs des deux circuits d'air et de gaz sont reliés entre eux mécaniquement pour former un seul tiroir dont le déplacement assure le déplacement simultané des deux obturateurs. Par exemple l'une des lumières peut présenter, sur au moins une partie de sa longueur, des côtés parallèles de manière à dégager une section de passage au cours du déplacement de l'obturateur sur cette partie qui est directement proportionnelle audit déplacement tandis que le tiroir peut être monté mobile en translation et déplaçable par un moyen de commande et de réglage pas à pas ou en continu. Avantageusement, le régulateur présente deux lumières identiques de passage d'air, coaxiales entre elles et avec les orifices d'entrée et de sortie d'air, et deux chambres respectivement d'arrivée et de sortie de gaz qui communiquent chacune avec les orifices respectivement d'entrée et de sortie de gaz tandis que lesdites chambres d'arrivée et de sortie de gaz sont séparées entre elles de manière étanche par un élément porte lumière pour le gaz et que le tiroir est monté coulissant de manière telle que les obturateurs d'air et de gaz coulissent respectivement entre les lumières d'air et devant la lumière de gaz. De préférence dans ce cas, le régulateur est formé par deux coquilles assemblées entre elles et pourvues chacune d'une des lumières d'air et de son orifice correspondant d'entrée ou de sortie d'air et d'une des chambres respectivement d'arrivée ou de sortie de gaz et de son orifice correspondant d'entrée ou de sortie de gaz tandis que l'élément porte lumière pour le gaz et le tiroir coulissant sont disposés entre les coquilles dans une rainure prévue à cet effet dans chacune des coquilles. Selon un mode de réalisation particulier, l'élément porte lumière pour le gaz présente une forme adaptée à la forme des chambres d'arrivée et de sortie de gaz qu'il sépare de manière étanche, et ledit élément est muni d'une fente, traversant de part en part sa partie centrale, et d'un alésage, d'un diamètre au moins égal à la largeur de la fente et qui est ménagé dans son épaisseur pour communiquer avec ladite fente tandis que l'obturateur de gaz est formé par une broche de forme correspondante audit alésage dans lequel elle coulisse pour obturer plus ou moins ladite fente et que l'obturateur d'air est formé par une plaquette solidaire de ladite broche. En outre, et de préférence, les orifices d'entrée et de sortie de gaz sont ménagés selon des axes parallèles qui sont perpendiculaires à l'axe commun des lumières d'air et des orifices d'entrée et de sortie d'air. Le régulateur selon l'invention est adaptable à plusieurs types de brûleur. Il est notamment bien adapté pour équiper un brûleur qui est muni d'une entrée d'air communiquant avec une chambre de mélange dans laquelle débouche centralement une entrée de gaz et sous laquelle est aménagée une grille de combustion. L'invention concerne aussi un brûleur équipé d'un régulateur selon l'invention. Un brûleur du type mentionné ci-avant est remarquable, selon un mode de réalisation de l'invention, en ce que les orifices de sortie respectivement d'air et de gaz du régulateur sont branchés sur les entrées respectivement d'air et de gaz du brûleur tandis qu'au moins un déflecteur annulaire est aménagé dans le circuit d'air du brûleur avant l'arrivée de celui-ci dans la chambre de mélange et qu'au moins un déflecteur annulaire est aménagé dans la chambre de mélange, afin de constituer des chicanes dans les chemins parcourus respectivement par l'air et par le mélange air-gaz. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre -schématiquement en coupe un brûleur équipé d'un régulateur selon l'invention, - la figure 2 montre en vue de dessus l'une des coquilles constitutives du régulateur équipé d'un tiroir et d'un élément porte lumière pour le gaz (représenté en coupe), - la figure 3 est une coupe selon III-III de la figure 2 mais sur l'ensemble du régulateur (formé de ses deux coquilles) et, - la figure 4 est une coupe selon IV-IV de la figure 1, également de l'ensemb]e du régulateur. Comme le montre la figure 1, un brûleur à gaz 1 est alimenté en gaz et en air au moyen d'un régulateur 2. Le régulateur 2 est lui-même alimenté en air par un ventilateur 3 et renvoie l'air au brûleur par une manchette 4, tandis que le gaz arrive audit régulateur par une canalisation 5, elle-même branchée sur un détendeur (non représenté) et renvoie le gaz au brûleur par une canalisation 6. Comme le montre les dessins, le régulateur 2 est formé de deux coquilles semblables 2' et 2" (figures 1 à 4), assemblées entre elles par tout moyen tel que des vis, vissées dans des taraudages correspondant représentés en 7 sur la figure 2, cette dernière figure représentant comme déjà dit l'une des coquilles (en l'occurence la coquille 2'). Dans chaque coquille 2',2" on a pratiqué divers évidements. Lesdites coquilles comportent notamment chacune une large rainure 8,8', ouverte sur un côté, destinée à former, après assemblage des coquilles 2' et 2", un logement dans lequel peut coulisser un tiroir 9 (voir notamment figure 3). Chaque coquille 2',2"11 présente un orifice, respectivement 10',10" qui débouche sur une lumière 11',11", les coquilles étant assemblées de manière telle que les orifices 10',10" et les 25932?O lumières 11' et 11" sont coaxiales comme le montre la figure 3. Chacune des coquilles comporte en outre une chambre 12',12" (figures 3 et 4) ouverte dans la rainure correspondante 8',8" et qui communique avec l'extérieur par un orifice latéral respectivement 13',13" dont les axes sont perpendiculaires à l'axe commun des orifices 10',10" et des lumières 11',11", tandis que lesdites chambres sont disposées par leur partie ouverte au-dessus l'une de l'autre et séparées par un élément porte lumière 14 qui est logé en bout du logement formé par lesdites rainures 8' et 8". L'élément porte lumière 14 de forme adéquate est disposé entre les chambres 12' et 12" de manière étanche au moyen de joints toriques 17 (figures 3 et 4) tandis qu'il comporte une lumière en forme de fente 15 qui le traverse de part en part. L'élément 14 comporte en outre dans son épaisseur, un alésage 16 (figure 4) d'un diamètre au moins égal à la largeur de la fente 15 dans laquelle il s'étend. Le tiroir 9 déjà cité comporte une plaquette 18, solidaire d'une broche 19, d'un diamètre correspondant à l'alésage 16 de l'élément 14. La plaquette 18 est aménagée pour coulisser entre: les rainures 8' et 8" en entraînant la broche 19 qui coulisse dans ledit alésage 16. La broche 19 est par exemple vissée dans la plaquette 18, ou bien elle est disposée en insert lors du moulage de ladite plaquette, une gorge 23 (figure 2) assurant alors un bon ancrage. Les orifices 10" et 10' (figure 3) constituent respectivement les entrée et sortie d'air du régulateur et sont branchés respectivement sur le ventilateur 3 et la manchette 4 (figure 1) tandis que les orifices 13" (figures 3 et 4) et 13' (figures 2 et 4) constituent respectivement les entrée et sortie de gaz du régulateur et sont branchés respectivement en 20" et 20' sur les canalisations 5 et 6 (figure 1), les chambres 12" et 12' sépararées par l'élément 14 servant de chambres respectivement d'arrivée et de sortie du gaz. On réalise ainsi un circuit d'air, ",11",11',10' (figure 3) et un circuit de gaz 13",12",15,12' et 13' (figure 4). Il est clair que la plaquette 18 et la broche 19 forment des obturateurs pour les lumières respectivement 11',11" et 15 de passage respectivement d'air et de gaz. En fonction du coulissement du tiroir 9, lesdites lumières 11',11" et 15 sont plus ou moins ouvertes. Sur la figure 2 par exemple, on peut voir une section libre 21 de passage d'air et une section libre 22 de passage de gaz. Si la fente 15 présente une section constante sur toute sa longueur, on peut constater sur la figure 2 que les lumières 11' et 11" présentent ici une section sensiblement trapézoïdale de telle sorte que le eoulissement du tiroir 9 fait varier le rapport des sections de passage d'air et de gaz et donc le rapport des débits d'alimentation (à pression supposée sensiblement constante). Le but du régulateur est en effet de permettre un rapport de débit entre les deux fluides sensiblement constant en sortie du brûleur, tout en faisant varier le débit du mélange (courbes des débits air et gaz en sortie du brûleur sensiblement parallèles), ce qui implique généralement, comme déjà dit ci-avant, un rapport des débits d'alimentation variable en fonction de la résistance aéraulique dudit brûleur et des caractéristiques du ventilateur 3. La forme des lumières 11', 11" et 15 est généralement déterminée par experiences successives, en cherchant à obtenir un taux de CO2 en sortie du brûleur, sensiblement constant, ce qui correspond à une combustion stoechiométrique (l'une des lumières, ici la lumière 15 pouvant, comme dans l'exemple décrit mais sans que cela soit obligatoire, être de section constante sur au moins une partie de sa longueur, l'autre ou les autres surtout étant alors définies par expériences). Le déplacement du tiroir 9, destiné donc à faire varier la puissance du brûleur est, par exemple, obtenu au moyen d'un petit moteur à deux sens de rotation qui entraîne en rotation une tige filetée à position longitudinale fixe qui se visse ou se dévisse dans un taraudage conjugué d'un maneton 24 (figures 2 et 3) aménagé dans la plaquette 18, tandis qu'un perçage 25 est prévu pour le passage de ladite vis, de telle sorte que le tiroir peut coulisser dans les deux sens. Le moteur d'entraînement est par exemple un moteur pas à pas ou en continu, commandé par un système électronique de régulation ou un aquastat adapté selon l'usage du brûleur qui peut équiper notamment une chaudière à eau ou un générateur d'air chaud. Si le modulateur qui vient d'être décrit s'adapte à de nombreux types de brûleurs, l'invention préconise le brûleur représenté à la figure 1. Il est en effet clair d'après ce qui précéde qu'un modulateur selon l'invention est fonction du brûleur a équiper (forme des lumières) ou réciproquement, surtout si l'on veut optimiser les résultats. Le brûleur 1 de la figure 1 présente, comme déjà dit, une manchette d'arrivée d'air 4 qui débouche de manière sensiblement tangentielle dans une enveloppe circulaire extérieure 26 munie d'une embase 27 comprenant des orifices d'air secondaire 28 et des orifices de passage pour une électrode d'allumage 29 et une électrode 30 de contr8le de flamme par ionisation, toutes deux maintenues par des pattes 46,46', à vis de réglage. Au centre de l'embase 27 est disposée une grille de combustion 31 pourvue d'orifices 32 de passage de flamme. La grille de combustion 31 se prolonge vers l'intérieur par une paroi cylindrique 33, chapotée par un disque 34, ces deux éléments formant une chambre de mélange 39. Le disque 34 présente un orifice central 35 prolongé vers l'intérieur de la chambre de mélange par un manchon 36, tandis qu'un tube 37, relié à la canalisation 6 d'arrivée de gaz au brûleur, traverse l'orifice 35 pour finir sur l'embase, au voisinage de laquelle il est pourvu d'orifices calibrés 38 de passage de gaz. Une paroi cylindrique 40 solidaire de l'enveloppe 26, forme un déflecteur qui délimite une zone annulaire 41, tandis que la chambre 39 comporte un déflecteur cylindrique 42 qui délimite une zone annulaire intérieure 43, elle-même pourvue de déflecteurs 44 et 45. L'air arrive donc de manière tangentielle par la manchette 4 dans la zone annulaire 41 o il se détend en se répartissant de manière régulière au cours de son mouvement circulaire, une partie de l'air (air secondaire), sortant par les orifices 28 disposés tout autour de la grille de combustion 31, tandis que l'autre partie de l'air (air primaire) parvient avec un mouvement tourbillonnaire dans la chambre de mélange 39 en passant par l'orifice 35 et en contournant le manchon 36. Le gaz qui arrive par les orifices 38 du tube 37 se mélange à l'air primaire et ledit mélange parvient ainsi dans la zone annulaire 43 en contournant le déflecteur 42, puis jusqu'à la grille de combustion 31 après avoir zigzagué entre les déflecteurs 44,45. La disposition des éléments permet des mouvements d'air et de mélange airgaz, tourbilonnant avec des parcours sinueux grâce aux chicanes formées par les divers déflecteurs 40,42,44,45 et le manchon 36, de telle sorte que l'on obtient, au voisinage des orifices 32 de la grille de combustion, un mélange intime carburant-comburant, réparti de manière uniforme sur 360 degrés, assurant ainsi un débit régulier. La qualité du mélange air gaz et de son débit est évidemment importante pour permettre une modulation intéressante de puissance sans qu'il y ait de rentrée ou de décollement de flamme d'un côté ou de l'autre de la grille de combustion 31. La plage de modulation sera bien entendu fonction des dimensions des éléments, du nombre et des sections des orifices respectivement 28 d'air secondaire et 32 de passage de flamme... Il est clair en outre que le brûleur qui vient d'être décrit peut être utilisé sans régulateur et avoir un fonctionnement en tout ou rien. Comme on peut le constater dans la description qui précède, le régulateur selon l'invention est simple, peu onéreux et indéréglable. Il permet en outre d'atteindre des débits très bas tant pour l'air que pour le gaz. Enfin, il est évidemment possible de réaliser les divers éléments dans des matières les plus diverses comme l'aluminium, le plastique, les matériaux composites... REVENDICATIONS 1) Régulateur d'alimentation pour brûleur à gaz, caractérisé en ce qu'il présente deux circuits distincts pour respectivement l'air et le gaz, chaque circuit comportant un orifice d'entrée (10",13") et un orifice de sortie (10',13'), communiquant entre eux par au moins une lumière (11', 11" et 15), les orifices d'entrée étant destinés à être reliés à des moyens d'alimentation (3,5) des fluides respectivement air et gaz et les orifices de sortie étant destinés à être branchés sur le brûleur (1), tandis que les lumières peuvent être plus ou moins obturées chacune en fonction du déplacement d'un obturateur (18,19) disposé de manière mobile dans le régulateur. 2) Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les obturateurs (18,19) des deux circuits d'air et de gaz sont reliés entre eux mécaniquement pour former un seul tiroir (9) dont le déplacement assure le déplacement simultané des deux obturateurs. 3) Régulateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins l'une (15) des lumières présente, sur au moins une partie de sa longueur, des c6tés parallèles de manière à dégager une section de passage au cours du déplacement de l'obturateur sur cette partie qui est directement proportionnelle audit déplacement. 4) Régulateur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le tiroir (9) est monté mobile en translation et déplaçable par un moyen de commande et de réglage pas à pas ou en continu. ) Régulateur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il présente deux lumières identiques (11",11') de passage d'air, coaxiales entre elles et avec les orifices d'entrée (10") et de sortie (10') d'air, et deux chambres respectivement d'arrivée (12") et de sortie (12') de gaz qui communiquent chacune avec les orifices respectivement d'entrée (13") et de sortie (13') de gaz tandis que lesdites chambres d'arrivée et de sortie de gaz sont séparées entre elles de manière étanche par un élément porte lumière (14) pour le gaz et que le tiroir (9) est monté coulissant de manière telle que les obturateurs d'air (18) et de gaz (19) coulissent respectivement entre les lumières d'air et devant la lumière de gaz. 6) Régulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' il est formé par deux coquilles (2",2') assemblées entre elles et pourvues chacune d'une des lumières (11",11') d'air et de son orifice correspondant d'entrée (10") ou de sortie (10') d'air et d'une des chambres respectivement d'arrivée (12") ou de sortie (12') de gaz et de son orifice correspondant d'entrée (13") ou de sortie (13') de gaz tandis que l'élément porte lumière (14) pour le gaz et le tiroir coulissant (9) sont disposés entre les coquilles dans une rainure (8",8') prévue à cet effet dans chacune des coquilles. 7) Régulateur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'élément porte lumière (14) pour le gaz présente une forme adaptée à la forme des chambres (12",12') d'arrivée et de sortie de gaz qu'il sépare de manière étanche, et que ledit élément est muni d'une fente (15), traversant de part en part sa partie centrale, et d'un alésage (16), d'un diamètre au moins égal à la largeur de la fente et qui est ménagé dans son épaisseur pour communiquer avec ladite fente tandis que l'obturateur de gaz est formé par une broche (19) de forme correspondante audit alésage (16) dans lequel elle coulisse pour obturer plus ou moins ladite fente et que l'obturateur d'air est formé par une plaquette (18) solidaire de ladite broche (19). 8) Régulateur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les orifices (13",13') d'entrée et de sortie de gaz sont ménagés selon des axes parallèles qui sont perpendiculaires à l'axe commun des lumières (11",11') d'air et des orifices (10",10') d'entrée et de sortie d'air. 9) Brûleur à gaz combiné avec un régulateur selon l'une des revendications 1 à 8 et qui est muni d'une entrée d'air (4) communiquant avec une chambre de mélange (39) dans laquelle débouche centralement une entrée de gaz (37) et sous laquelle est aménagée une grille de combustion (32), caractérisé en ce que les orifices de sortie (10',13') respectivement d'air et de gaz du régulateur sont branchés sur les entrées (4,37) respectivement d'air et de gaz du brûleur tandis qu'au moins un déflecteur (40) annulaire est aménagé dans le circuit d'air du brûleur avant l'arrivée de celui-ci dans la chambre de mélange (39) et qu'au moins un déflecteur annulaire (42) est aménagé dans la chambre de mélange, afin de constituer des chicanes dans les chemins parcourus respectivement par l'air et par le mélange air-gaz.