Brevet FR2616519A1 — publié le 19881216

La présente invention concerne un brûleur å ouvreau comprenant une chambre d'admission et de combustion d'un mélange d'un gaz combustible et de l'air et une chambre de prolongement axial de la chambre de mélange, adapté pour assurer le développement de la flamme, les chambres comportant des-parois sensiblement cylindriques, et les arrivées d'air étant prévues dans au moins deux plans perpendiculaires à l'axe de la chambre de mélange et de combustion, axialement distants, de façon sensiblement tangentielle à la paroi cylindrique et en contre-rotation. Dans les brûleurs connus de ce type, les deux plans d'arrivée d'air sont très rapprochés, ce qui provoque une combustion intense à un taux de production d'oxydes d'azote très élevé. La présente invention a pour but de palier à cet inconvénient et de proposer un brûleur qui ne présente plus l'-inconvénient considérable, qui vient d'être énoncé. Pour atteindre ce but, le brûleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'au moins trois zones de plans d'arrivée d'air sont prévues, qui sont décalées dans l'axe de la chambre, de façon à produire une combustion étagée pour réduire le taux de production d'oxydes d'azote. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les arrivées d'air situées dans une première zone de plans d'arrivée, proche du niveau de l'arrivée de gaz, sont adaptées pour assurer une combustion incomplète et peu intensive, les arrivées d'air situées dans la deuxième zone de plans d'arrivée sont adaptées pour accélérer la combustion sans que le rapport air-gaz atteigne la valeur stoechiométrique, tandis que les arrivées d'air dans la troisième zone sont adaptées pour terminer la combustion. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention les deux premières zones d'arrivée d'air comportent chacune deux plans d'arrivée d'air à orientation tangentielle, en contre-rotation d'un plan à 1 ' autre. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens d'amenée de gaz dans la chambre de combustion sont formés par des trous radiaux traversant la paroi de la chambre de mélange et de combustion, cette chambre étant entourée de deux chambres séparées respectivement pour l'admission de l'air et de gaz. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens d'amenée du gaz sont essentiellement formés par un conduit d'amenée de gaz, qui pénètre dans la chambre de combustion, avantageusement dans l'axe de celle-ci, à travers une paroi de fermeture de la chambre à l'extrémité opposée à la sortie de celle-ci, et qui présente au niveau du premier plan d'arrivée d'air précité des moyens de sortie du gaz dans la chambre, un dispositif d'allumage du gaz sortant du tube étant prévu à proximité de ses sorties. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un brûleur selon la présente invention; - la figure 2 est une coupe axiale d'un tube pour la formation d'une chambre de mélange et de combustion destiné à équiper un brûleur selon la figure 1, mais réalisé selon une variante d'exécution; et - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe axiale d'un brûleur selon l'invention présentant deux autres modes de réalisation des moyens d'amenée de gaz différents de la figure 1. Selon la figure l, un brûleur selon la présente invention comprend essentiellement une chambre 1 d'admission et de combustion d'un mélange de gaz combustible et de gaz comburant, tel que de l'air, une chambre 2 en prolongation axiale de la chambre 1 et destinée à permettre le développement de la flamme. La chambre 1 de mélange et de combustion est avantageusement délimitée dans un tube cylindrique qui peut être réalisé en alliage réfractaire ou en céramique thermomécanique qui autorise une meilleure tenue aux températures élevées. La chambre de prolongement 2 présente une paroi épaisse 4 en béton réfractaire à sections sensiblement cylindriques circulaires. Les parois intérieures de chambres 1 et 2 sont en alignement. Des brides 5 et 6 assurent la jonction étanche des deux chambres.En outre le montage du brûleur dans un four (non représenté) se fait au moyen d'une bride 7. Une enceinte métallique 9 entoure coaxialementla chambre 1 de mélange et de combustion en formant ainsi un espace annulaire 10 autour de celui-ci qui est parcouru par de l'air comburant devant être admis dans la chambre 1. L'air est amené à travers une canalisation 11. L'enceinte 9 délimite en outre une chambre d'admission 12 du gaz arrivant à travers une canalisation 13. Ce gaz parvient dans la chambre 1 à travers une multitude d'orifices radiaux 14 dans la paroi cylindrique de la chambre 1. Ces orifices sont situés dans un plan perpendiculaire à l'axe de la paroi et avantageusement sur toute la périphérie de celle-ci. La chambre 1 de mélange et de combustion, représentée à la figure 1, comprend trois plans d'arrivée d'air P1, P2, P3, qui sont axialement distants. Chaque plan comporte un certain nombre de trous 16 qui sont percés- tangentiellement à travers la paroi de la chambre. Ces trous sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la chambre et permettent l'entrée de l'air dans celle-ci selon des trajectoires sensiblement tangentielles. Dans les plans P1 et P2 le nombre de trous est avantageusement de quatre. Le plan P3 comporte par exemple huit trous. La figure 2 représente un tube de délimitation d'une chambre 1 d'admission et de combustion qui comporte cinq plans d'arrivée d'air, à savoir les plans P11, P12, P21, P22 et P3. Comme dans le cas de la figure 1, chaque plan comporte un certain nombre de trous tangentiels 16. Il est évident que cette chambre peut être utilisée dans le brûleur selon les figures 1, 3 et 4. Dans les variantes d'exécution d'un brûleur selon l'invention, qui sont représentées aux figures 3 et 4, le gaz combustible est amené par un tube 17 coaxial à la chambre 1, qui pénètre dans celle-ci en traversant la paroi frontale 18 de fermeture -de la chambre 1 à l'extrémité opposée à la sortie de la flamme. Selon la figure 3, les gaz amenés par le tube 17 formant canne de gaz parviennent dans la chambre par des orifices radiaux 19 pratiqués dans le tube et répartis angulairement tout autour de celui-ci, près de l'extrémité fermée de la canne. Dans cette variante d'alimentation de la chambre en gaz, la canne 17 porte à son extrémité un dispositif d'allumage à haute tension. L'électrode de masse représentée en 20 est soudée sur la canne tandis que l'électrode haute tension désignée en 21 est située dans l'axe de celle-ci. Elle est constituée d'une tige en alliage réfractaire placée dans une gaine en alumine. Concernant la paroi 18 il est à noter qu'elle est avantageusement réalisée de manière à permettre la vision de la flamme par une cellule de détection ultra-violet ou une électrode d'ionisation. Dans la variante d'exécution du brûleur selon l'invention, représenté à la figure 4, le tube 17 formant canne de gaz est entièrement ouvert à son extrémité situé à l'intérieur de la chambre de mélange 1. L'arrivée de gaz se fait donc axialement, ce qui permet la suppression des orifices radiaux 19 selon la figure 3. Le dispositif d'allumage à haute tension est adapté à ce mode d'amenée de gaz. L'électrode haute tension représentée en 21' s'étend maintenant parallèlement à la canne 17. Pour assurer son positionnement correct et fiable elle est retenue par un tube isolant en alumine 23, qui l'entoure coaxialement et traverse la paroi 18 de la chambre de mélange et de combustion. L'électrode de masse est avantageusement formée par la canne. Concernant les trous 16 d'arrivée d'air, on constate que le premier plan d'arrivée P1, P11 est situé à proximité (figure 1) ou sensiblement au niveau (figures 3 et 4) des orifices d'arrivée de gaz 14, 19 ou de l'extrémité ouverte de la canne gaz 17. Dans la version à trois plans d'arrivée d'air, selon les figures 1, 3 et 4, les deux premiers plans P1, P2 dans le sens de la propagation des fluides sont constitués de quatre trous tangentiels 16, les trous d'un plan étant angulairement décalés de par exemple de 450 des trous de l'autre plan et sont orientés tangentiellement dans des directions opposées. Le troisième plan P3, situé près de la sortie du brûleur comprend huit trous tangentiels répartis angulairement à contre-sens par rapport aux trous du plan P2. Dans la version à cinq plans d'arrivée d'air, selon la figure 2, les quatre plans Pli à P22 présentent chacun quatre trous tangentiels régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre et orientés à contre-sens d'un plan à l'autre.Le cinquième plan P3 situé près de la sortie dé la chambre comporte huit trous tangentiels orientés dans le sens contraire aux trous du plan P22. L'arrivée de l'air dans la chambre de mélange et de combustion 1, dans au moins trois plans a pour fonction de réduire le taux de production d'oxydes d'azote. A cette fin on exploite le fait que la production d'oxydes d'azote en fonction du rapport de la quantité de l'air de combustion réelle admis dans la chambre de combustion à la quantité d'air stoechiométrique nécessaire pour une combustion complète instantanée varie selon une courbe en cloche, le taux d'oxydes d'azote étant maximal lorsque ce rapport est égal à 1. Selon l'invention on résoud le problème de la réduction du taux de production d'oxydes d'azote en étageant la combustion dans la chambre 1, grâce aux différents plans d'arrivée d'air de combustion, qui sont axialement décalés dans la direction de la propagation du fluide gazeux dans la chambre, les arrivées d'air étant disposées en contre-rotation, d'un plan à l'autre. Dans le brûleur selon l'invention, dans un premier temps, le gaz est mélangé à l'air de combustion pénétrant dans la chambre au niveau du premier plan selon les figures 1, 3 et 4 ou au niveau des deux premiers plans P11, P12 selon la figure 2. Cet air est plaqué contre la paroi de la chambre de combustion par sa mise en rotation par les trous d'arrivée tangentiels 16. Avec ce premier mélange s'amorce la combustion qui est incomplète et peu intensive. Dans un deuxième temps, c'est-à-dire au niveau du deuxième plan d'arrivée d'air P2 selon les figures 1, 3 et 4 ou dans les troisième et quatrième plans P21, P22 selon la figure 2, de l'air est ajouté en contre-rotation au mélange en cours de combustion, provoquant ainsi un brassage important. Ceci a pour conséquence d'accélerer considérablement la combustion tout en restant dans un rapport air-gaz sensiblement différent de 1 de manière à réduire la production d'oxydes d'azote. Dans un troisième temps la combustion se termine par l'arrivée de l'air dans le dernier plan d'arrivée de l'air toujours mis en rotation et plaqué contre la paroi par des trous tangentiels. Cette arrivée de l'air tangentiel sur plusieurs niveaux axialement décalés dans la chambre de combustion permet d'une part de réaliser la combustion complète dans une chambre de volume restreint grâce à ce brassage intense provoqué par les arrivées d'air en contre-rotation, et d'autre part, de réduire la production d'oxydes d'azote en étageant la combustion. REVENDICATIONS 1. Brûleur à ouvreau comprenant une chambre d'admission et de combustion d'un mélange d'un gaz combustible et de l'air et une chambre de prolongement axiale de la chambre de mélange, adapté pour assurer le développement de la flamme, les chambres comportant des parois sensiblement cylindriques et les arrivées d'air étant prévues dans au moins deux plans perpendiculaires à l'axe de la chambre de mélange et de combustion, axialement distants, et de façon sensiblement tangentiels à la paroi cylindrique et en contre-rotation, caractérisé en ce qu'au moins trois zones de plans d'arrivée d'air (P1, P2, P3; P11, P12, P21, P22, P3) sont prévues, qui sont décalées dans l'axe de la chambre (1) de mélange et de combustion, de façon à produire une combustion étagée pour réduire le taux de production d'oxydes d'azote. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arrivées d'air (P1; Fil, P12) situées dans une première zone de plans d'arrivée, proche du niveau d'arrivée de gaz, sont adaptées pour assurer une combustion incomplète et peu intensive, les arrivées d'air (P2; P21, P22) situées dans la deuxième zone de plans d'arrivée sont adaptées pour accélérer la combustion sans que le rapport air-gaz atteigne la valeur stoechiométrique, tandis que les arrivées d'air (P3) dans la troisième zone sont adaptées pour terminer la combustion. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux premières zones d'arrivée d'air comportent chacune deux plans d'arrivée d'air (P11, P12; P21, P22) à orientation tangentielle en contrerotation d'un plan à l'autre. 4. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'amenée de gaz dans la chambre de mélange et de combustion () sont formés par des trous radiaux (14) traversant la paroi de cette chambre, cette chambre étant entourée de deux chambres séparées (10, 12) respectivement pour l'admission de l'air et de gaz. 5. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'amenée de gaz sont essentiellement formés par un conduit (17) d'amenée de gaz, qui pénètre dans la chambre de mélange et de combustion (1), avantageusement dans l'axe de celle-ci, à travers une paroi (18) de fermeture de la chambre à l'extrémité opposée à la sortie de celle-ci, et qui présente au niveau du premier plan d'arrivée d'air (P1, P11) précité des moyens de sortie du gaz dans la chambre (1), un dispositif allumage (20, 21) du gaz sortant du tube étant prévu à proximité de cette sortie de gaz. 6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de sortie du gaz précité sont formés par des orifices radiaux (19) pratiqués dans le conduit (17) d'amenée de gaz dont l'extrémité à l'intérieur de la chambre (1) est fermé et que le dispositif d'allumage, avantageusement du type à haute tension, comporte une électrode dé masse (20) soudée sur le conduit (17) tandis que l'électrode haute tension (21) est située dans l'axe de ce conduit. 7. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le conduit (17) d'amenée de gaz (17) précité est ouvert à son extrémité intérieure à la chambre de mélange et de combustion (1) pour permettre la sortie du gaz et le dispositif d'allumage comporte une électrode haute tension (21') qui s'étend parallèlement au conduit d'amenée de gaz (17), au niveau de l'extrémité ouverte de celui-ci, à l'intérieur de la chambre (1), l'électrode de masse étant avantageusement formée par le conduit (17). 8. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (18) de fermeture de la chambre à l'extrémité opposée à la sortie de celle-ci est réalisée de façon à permettre la vision de la flamme dans la chambre de mélange et de combustion (1) par une cellule de détection ultra-violet ou une cellule à ionisation.