Brevet FR2665941A1 — publié le 19920221

Procédé et dispositif pour régler le rapport combustible-air de l'alimentation en gaz inflammable d'un brûleur à rayonnement Cette invention se rapporte à la commande des braleurs à rayonnement utilisés dans différents types d'appareils de chauffage Elle se rapporte plus particu- liîèrement à un procédé et à un dispositif servant à fixer et maintenir à une valeur optimale le rapport gaz combustible-air à l'air dans le mélange de gaz inflamma- ble fourni à un brûleur à rayonnement. Dans les conditions idéales, un brûleur à rayon- nement brûle avec le rendement thermique le plus élevé et la production la plus faible d'émissions indésirables lorsque le gaz inflammable fourni au brûleur est un mé- lange stoechiométrique de gaz combustible et d'air, c'est-à-dire lorsqu'on fournit exactement la quantité d'air nécessaire pour oxyder totalement la quantité de combustible fournie Si, au contraire, le rapport du com- bustible-air s'élève au-dessus de la valeur stoechiomé- trique, ou si le mélange devient riche en combustible, les gaz de combustion produits par le brûleur contien- nent du combustible imbrûlé et de l'oxyde de carbone. Dans les conditions de fonctionnement réelles, si un brûleur à rayonnement doit être configuré pour tra- vailler exactement au rapport stoechiométrique, divers défauts de conception ou de fabrication, des écarts tran- sitoires ou chroniques se rapprochant de la condition ri- che en combustible, en s'éloignant du rapport stoechiomé- trique, partout ou localement sur la surface du brûleur peuvent se traduire par la production d'emissions indési- rables et dangereuses par le brûleur Il est donc de pra- tique générale, dans la conception et l'ingéniérie, de faire travailler les brûleurs à rayonnement avec un mé- lange combustible-air qui contient une certaine quantité d'air excédentaire, c'est-à-dire dans lequel le gaz in- flammable est pauvre en combustible ou le rapport combus- tible-air est inférieur au rapport stoechiométrique Le fait de travailler dans des conditions d'excès d'air con- tribue à faire en sorte que la totalité du combustible est brûlée et qu'il ne se forme pas de produits de com- bustion dangereux La quantité optimale d'air excédentai- re qui est nécessaire dans une installation de brûleur donnée dépend d'un certain nombre de facteurs tels que la construction et la géométrie du brûleur et de son en- vironnement, ainsi que du type et de la composition du com- bustible à brûler En général, le brûleur à rayonnement typique commencera à présenter des caractéristiques de combustion indésirables lorsque l'air excédentaire tombe à moins d'environ cinq à dix pourcent Dans une telle installation de brûleur, il est habituel de calculer un excès d'air dans un pourcentage de l'intervalle de 15 à pourcent Le fait de travailler à des pourcentages d'air excédentaire supérieurs à ceux contenus dans l'in- tervalle optimal entraîne une dégradation des performan- ces du brûleur, par une perte de rendement ou par l'ex- tinction du brûleur. Bien qu'il soit possible de mesurer directement le rapport de débit entre les débits de gaz combustible et d'air fournis à un brûleur, et d'asservir l'un ou cha- cun des débits de manière à produire un mélange gazeux inflammable qui soit optimal, ce système de détection et d'asservissement serait complexe et d'un coût prohibitif dans de nombreuses applications Les versions de certai- nes applications de brûleurs comprennent des interrup- teurs à pression pour capter le débit d'air mais ces in- terrupteurs ne sont capables que de détecter de gros écarts par rapport à la valeur optimale de l'air excéden- taire, et ils ne sont pas capables d'assurer la régula- tion du pourcentage d'air excédentaire D'autres ver- sions utilisent des capteurs qui détectent la présence et la concentration de certains constituants, tels que l'oxygène, contenus dans les gaz de fumée qui émanent du brûleur Toutefois, ces versions sont sujettes à subir un encrassage du capteur, et elles peuvent être dépour- vues de fiabilité et imprécises. Ce dont on a besoin est donc des moyens économi- ques, précis et fiables pour assurer automatiquement qu'un brûleur à rayonnement sera alimenté avec un gaz in- flammable qui contient une valeur optimale d'air excéden- taire. L'invention décrit donc un nouveau procédé et un nouveau dispositif capable de surveiller automatique- ment les performances d'un brûleur à rayonnement, et de régler le rapport gaz combustible-air dans le mélange gazeux inflammable fourni au brûleur de manière que le mélange gazeux soit maintenu à la valeur optimale du débit de l'air excédentaire. Il est largement connu que les brûleurs à rayon- nement, lorsqu'ils sont en fonctionnement, émettent un rayonnement dans le spectre ultraviolet supérieur, visi- ble et infrarouge proche L'intensité de ce rayonnement varie avec le pourcentage d'air excédentaire contenu dans l'alimentation de gaz inflammable La variation est non linéaire, avec un pic qui se produit à proximité du rapport stoechiométrique Etant donné que la mesure di- recte de la proportion de gaz combustible et d'air dans le gaz inflammable envoyé au brûleur dans les appareils de chauffage utilisés dans les applications habituelles, résidentielles et commerciales, est difficilement possi- ble et d'un coût prohibitif, la présente invention tire parti de la relation liant l'intensité du rayonnement du brûleur au rapport gaz combustible-air en utilisant l'in- tensité comme mesure indirecte de l'air excédentaire con- tenu dans le gaz inflammable envoyé au brûleur. Dans le procédé et le dispositif décrits par l'invention, l'intensité du rayonnement émis par le brû- leur lorsque le gaz inflammable envoyé au brûleur con- tient la quantité désirée d'air excédentaire est détermi- née expérimentalement en mesurant l'intensité lorsque le brûleur brûle un gaz inflammable connu pour avoir les proportions désirées de combustible gazeux et d'air. Dans ce cas, en service, lorsque le débit d'alimentation du gaz combustible est maintenu constant à une valeur donnée, le débit d'air comburant est ajusté de manière à obtenir et maintenir l'intensité du rayonnement du brû- leur à une valeur égale à l'intensité qui a été détermi- née expérimentalement, ce qui permet d'obtenir et d'en- tretenir la quantité désirée d'air excédentaire dans l'alimentation de gaz inflammable fourni au brûleur. L'invention comporte un capteur possédant une sortie qui varie avec l'intensité reçue par le capteur, un dispositif de commande et un contrôleur de moteur d'alimentation en air à vitesse variable, un moteur et un ventilateur ou une soufflerie Etant donné que la sen- sibilité des capteurs dont on dispose normalement varie avec l'âge, l'invention comprend aussi une source de rayonnement d'étalonnage qui est destinée à être utili- sée pour compenser la variation de la sensibilité du cap- teur avec le temps. A chaque mise en marche de l'appareil de chauf- fage équipé selon l'invention, il s'effectue un program- me de mise en marche qui dérive le paramètre de commande nécessaire pour le dispositif de commande pour qu'il uti- lise correctement la sortie du capteur pour la commande de la vitesse du ventilateur ou de la soufflerie Le dis- positif de commande peut aussi être programmé pour effec- tuer le programme d'étalonnage à des intervalles périodi- ques, par exemple quotidiennement, dans le cas d'un fonc- tionnement continu Le dispositif selon l'invention peut aussi servir de dispositif de sécurité, en supplément ou en remplacement des organes de sécurité que l'on trouve maintenant actuellement dans les appareils de chauffa- ge. L'invention est appropriée pour être utilisée avec des régulateurs de gaz combustible à alimentation constante qui sont largement utilisés dans les appareils de chauffage, et avec une alimentation de l'appareil en air comburant variable et réglable, par exemple, un ven- tilateur ou une soufflerie d'air induit ou forcé à vites- se variable L'invention peut aussi être appliquée, avec des modifications appropriées, avec des régulateurs de gaz combustible d'un type autre que le type à alimenta- tion constante. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaitront à la lecture de la description et en se référérant aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'un appareil de chauffage utilisant le dispositif selon l'invention. La figure 2 est un graphique de l'intensité su rayonnement émis par un brûleur à rayonnement qui brûle un gaz inflammable composé d'un mélange de méthane et d'air, en fonction du rapport gaz combustible-air, expri- mé en pourcentage d'air excédentaire dans l'alimentation de gaz inflammable. La figure 1 illustre les composants et les in- terconnexions du dispositif décrit dans l'invention Sur ce dessin, on a représenté un appareil de chauffage 11, par exemple un four ou un chauffe-eau, possédant une chambre de combustion 12 dans laquelle est monté un brû- leur à rayonnement 13 Le gaz combustible est fourni à l'appareil par une conduite de combustible 41 et un régu- lateur à débit constant 42 De l'air est introduit et mélangé au gaz combustible dans une boite à air 43, pour former un mélange inflammable qui, ensuite, est envoyé au brûleur 13 par une canalisation de gaz inflammable 44 Le gaz inflammable est aspiré dans le brûleur 13 et à travers ce brûleur 13, et les gaz de fumée qui contien- nent les produits de combustion formés par le brûleur 13 sont aspirés de la chambre de combustion 12, par un ven- tilateur à induction 21 entraîné par un moteur à vitesse variable 22 qui est lui-même équipé d'un contrôleur de moteur 23 Une fenêtre 14 pratiquée dans la paroi de la chambre de combustion 12 permet d'observer la surface du brûleur 13 de l'extérieur de la chambre de combustion 12 Un câble à fibres optiques 34 transmet le rayonne- ment émis par le brûleur 13 de la fenêtre 14 à un cap- teur 31, ce qui permet de monter le capteur 31 dans une position écartée de la ligne de vision directe de la fe- nêtre 14, et réduit ainsi le risque de voir la poussière ou les matières étrangères influer sur la transmission du rayonnement de la fenêtre 14 au capteur 31 Le cap- teur 31 répond au rayonnement compris dans le spectre ul- traviolet supérieur, visible ou infrarouge proche et il produit une sortie qui varie avec l'intensité du rayonne- ment émis par le brûleur 13 La fenêtre 14 et le câble à fibres optiques 34 sont construits en des matières qui assurent une transmission optimale du rayonnement dans le spectre choisi La sortie du capteur 31 est envoyée à un dispositif de commande 32 qui renferme un microproces- seur qui effectue les calculs et les fonctions de comman- de nécessaires pour établir et entretenir l'air excéden- taire au pourcentage désiré Une sortie du dispositif de commande 31 est un signal de commande envoyé au contrô- leur 23 du moteur A son tour, le contrôleur 23 du mo- teur commande la vitesse du moteur 22 et, par consé- quent, celle du ventilateur à induction 21 Sous l'effet du régulateur 42, le débit de gaz combustible est cons- tant En faisant varier la vitesse du ventilateur d'in- duction 21, on peut faire varier le débit total de gaz inflammable qui traverse le brûleur 13 Si le débit de gaz combustible reste constant, l'accroissement du débit total se traduit par un accroissement de la proportion relative d'air dans le gaz inflammable et, de cette fa- çon, la quantité d'air excédentaire contenue dans le gaz inflammable peut être réglée par la commande de la vites- se du ventilateur à induction 21. Un câble à fibres optiques 35 transmet le rayon- nement d'une source de rayonnement d'étalonnage 33 au capteur 31 et est fait de la même matière que le câble à fibres optiques 34 ou d'une matière analogue Une source 33 est utilisée pour l'étalonnage du système et émet un rayonnement dans le spectre auquel le capteur 31 est sen- sible, et elle est d'un type fiable et stable sur une pé- riode prolongée, par exemple, une diode photo-émettrice. Les câbles à fibres optiques 34 et 35 sont agencés par rapport au capteur 31 de telle manière que le capteur 31 puisse recevoir le rayonnement transmis par chacun des câbles Un obturateur éventuel 36 peut être inclus pour arrêter la transmission du rayonnement du brûleur 13 et permettre l'exécution de l'étalonnage du système, même lorsque le brûleur 13 est allumé. La courbe représentée sur la figure 2 montre la variation de l'intensité du rayonnement émis par un brû- leur à rayonnement typique en fonction du rapport gaz combustible-air, exprimé sur le graphique par le pourcen- tage de l'air excédentaire contenu dans le gaz inflamma- ble envoyé au brûleur La courbe de la figure 2 représen- te l'intensité du rayonnement infrarouge et elle est pré- vue pour un gaz combustible comprenant un mélange de mé- thane et d'air La courbe de la variation de l'intensité pour le même brûleur et la même alimentation en combusti- ble dans le spectre ultraviolet supérieur et visible se- rait analogue Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, l'intensité de rayonnement atteint un pic (au point A sur la fîgure) dans la région du rapport stoechiométri- que (o le pourcentage d'air excédentaire est zéro) On remarquera qu'entre le point B et le point C, dans l'in- tervalle de 15 à 30 pourcent d'air excédentaire, la cour- be est presque linéaire Le point D de la courbe indique la position de la courbe o le pourcentage d'air excéden- taire est optimal Les courbes d'intensité en fonction de l'air excédentaire pour les brûleurs qui brûlent d'au- tres combustibles gazeux habituels sont légèrement diffé- rentes mais présentent des pics d'intensité analogues et une non linéarité dans la région de la courbe située sur le côté du pic qui comporte une quantité positive d'air excédentaire. Dans le procédé selon l'invention, on doit éta- blir une intensité de rayonnement de référence L'inten- sité de rayonnement de référence est l'intensité de rayonnement, captée par le capteur destiné à être utili- sé dans l'appareil, lors de la construction de cet appa- reil, qui est émise par le brûleur à rayonnement destiné à être utilisé dans l'appareil lorsque le brûleur brûle un gaz inflammable de référence qui est connu pour avoir le pourcentage désiré de combustible gazeux et d'air com- burant Ce pourcentage est généralement présent lorsque le brûleur travaille au point D de la courbe de la figu- re 2, ou bien lorsque l'air excédentaire est dans l'in- tervalle de 15 à 30 pourcent Le pourcentage combusti- ble-air connu peut être établi dans le gaz inflammable de référence en utilisant des procédures et équipements de laboratoire standards Sur la base de facteurs de re- productibilité et de confiance démontrés, tels que des tolérences de fabrication et des configurations spécifi- ques des équipements, il peut être nécessaire d'établir une intensité de rayonnement de référence pour chaque combinaison d'un brûleur donné et d'un capteur donné, pour chaque lot de brûleurs et/ou de capteurs, ou simple- ment pour chaque combinaison de versions de brûleurs et/ou de capteurs. La sensibilité des capteurs qu'on peut se procu- rer habituellement peut varier avec le temps La sortie d'un capteur donné en réponse au rayonnement émis par un brûleur donné peut donc varier avec l'âge du capteur, même si la composition du gaz inflammable brûlé par le brûleur reste inchangée En conséquence, il est souhaita- ble d'inclure une capacité d'étalonnage dans un disposi- tif selon l'invention Ceci s'effectue en prévoyant une source de rayonnement d'étalonnage Cette source permet au dispositif de commande de compenser la variation de la sensibilité du capteur La source de rayonnement d'étalonnage peut aussi être utilisée pour compenser la variation du gain d'une amplification éventuellement ap- pliquée à la sortie du capteur En même temps que l'in- tensité de rayonnement de référence est établie, avec la sortie du capteur correspondant, la réponse du capteur au rayonnement émis par la source d'étalonnage est aussi établie et les deux sorties respectives sont comparées, ce qui donne un rapport ou facteur d'étalonnage qui re- présente la différence, habituellement un multiple, en- tre la réponse du capteur à la source de rayonnement d'étalonnage et la réponse du capteur à l'intensité du rayonnement de référence Ce facteur d'étalonnage reste constant, puisque l'intensité du rayonnement de référen- ce et l'intensité du rayonnement émis par la source d'étalonnage restent constantes, même si les valeurs ab- solues des sorties des capteurs varient sur la durée de vie du capteur Lorsque le facteur d'étalonnage est dé- terminé à partir des intensités déterminées expérimenta- lement, on l'entre dans la logique de programme du dispo- sitif de commande. Comme on le voit en se reportant à nouveau sur la figure 1, en fonctionnement, après la détermination de l'intensité de rayonnement de référence, après avoir exécuté correctement l'installation et la programmation, un appareil de chauffage 11 appliquant le procédé et uti- lisant le dispositif selon la présente invention fonc- tionne de la façon suivante. A la suite de la réception d'une demande de chauffage, provenant d'un interrupteur manuel marche-ar- rêt ou d'un commutateur thermostatique extérieur (non re- présenté), l'appareil commence une séquence de mise en marche Dans la séquence de mise en marche, il s'exécute tout d'abord un sous- programme d'étalonnage dans lequel le dispositif de commande 32 est excité et la source de rayonnement d'étalonnage 33 est allumée Le dispositif de commande 32 mesure alors la sortie du capteur 31 qui résulte de la source d'étalonnage 33 et applique le fac- teur d'étalonnage programmé dans la logique du disposi- tif pour calculer une sortie du capteur représentant le point de consigne La sortie de consigne du capteur est utilisée par le dispositif de commande 32 en tant que paramètre de commande du fait que, si la sortie du cap- teur 31 est égale à la sortie de consigne du capteur, l'intensité du rayonnement émis par le brûleur est égale à l'intensité de rayonnement de référence Après l'exécu- tion du sous-programme d'étalonnage, la séquence de mise en marche s'effectue en éteignant la source de rayonne- ment d'étalonnage 33, en activant le ventilateur d'induc- tion 21, en ouvrant le régulateur de gaz 22 et en allu- mant le brûleur 13. Pendant le fonctionnement normal après l'exécu- tion de la séquence de mise en marche, le dispositif de commande 32 règle la vitesse du moteur 22 du ventila- teur, par l'intermédiaire du contrôleur 23, pour mainte- nir le débit du gaz inflammable pénétrant dans le brû- leur 13 et traversant ce brûleur à une valeur telle que la sortie du capteur 31 soit égale à la sortie de consi- il gne de ce capteur Lorsque la sortie réelle du capteur est égale à la valeur de consigne, l'intensité de rayon- nement du brûleur est égale à l'intensité de rayonnement de référence et, étant donné que le débit du combustible gazeux est fixe, le gaz inflammable fourni au brûleur 13 possédera le pourcentage désiré d'air excédentaire. Avec l'incorporation de l'obturateur éventuel * 36 ou d'un autre moyen approprié capable d'occulter tem- porairement le trajet du rayonnement allant de la fenê- tre 14 au capteur 31, un sous-programme d'étalonnage peut être exécuté, même lorsque l'appareil 11 est en fonctionnement Ceci peut être souhaitable lorsque l'ap- pareil travaille sans interruption pendant des périodes prolongées Dans ce cas, le dispositif de commande 32 peut être programmé pour manoeuvrer l'obturateur 36, exé- cuter un calcul de sortie de consigne du capteur et reve- nir au fonctionnement normal à intervalles périodiques, par exemple quotidiennement. Le dispositif selon l'invention peut apporter plusieurs caractéristiques de sécurité à l'appareil de chauffage dans lequel il est incorporé, en supplément ou en remplacement d'autres dispositifs de sécurité qu'on trouve communément dans les appareils de chauffage ac- tuels Le capteur et le dispositif de commande peuvent détecter la défaillance d'un dispositif d'allumage du brûleur, par exemple une veilleuse, un allumeur à surfa- ce chaude ou un dispositif d'allumage à étincelle, et em- pêcher le régulateur de gaz de s'ouvrir s'il se produit une défaillance de ce genre Le capteur et le dispositif de commande peuvent aussi vérifier l'allumage du brûleur et déclencher une mise à l'arrêt si la flamme du brûleur s'éteint pour une raison quelconque, en remplaçant ainsi un détecteur de flamme classique En utilisant les procé- dés de commande standards, le dispositif peut répondre rapidement à une modification des conditions de fonction- nement, par exemple une obstruction du conduit de fumées de l'appareil, ce qui supprime la nécessité d'un ou de plusieurs interrupteurs à pression. R E V E N D I C A T ION S 1 Procédé pour régler sur une valeur voulue le rapport combustible gazeux-air comburant dans un gaz in- flammable, dans un appareil de chauffage ( 11) utilisant un brûleur à rayonnement ( 13) qui brûle un gaz inflamma- ble composé d'un mélange de combustible gazeux et d'air comburant et qui émet un rayonnement en brûlant ce gaz inflammable, appareil qui comprend des moyens ( 42) qui fournissent ledit combustible gazeux audit brûleur à rayonnement à un ou plusieurs débits ( 43, 21, 22, 23) et des moyens qui fournissent ledit air comburant audit brû- leur à rayonnement à un débit variable, ce procédé étant caractérisé par les phases consistant à: déterminer une intensité de référence, ladite intensité de référence étant l'intensité de rayonnement émise par ledit brûleur à rayonnement ( 13) lorsque ce brûleur brûle un gaz inflammable de référence, ledit gaz inflammable de référence étant un gaz inflammable qui possède un rapport combustible gazeux-air comburant qui est égal audit rapport désiré; régler les moyens ( 42) qui fournissent le com- bustible gazeux sur un débit donné; capter l'intensité de rayonnement émise par le- dit brûleur à rayonnement ( 13) pendant que ce brûleur brûle ledit gaz inflammable; et commander lesdits moyens ( 43, 21, 22, 23) qui fournissent l'air comburant de manière à atteindre et en- tretenir un débit d'air comburant qui produit un gaz in- flammable résultant possédant un rapport combustible gazeux-air comburant tel que, lorsque le brûleur à rayon- nement ( 13) brûle ce gaz inflammable résultant, ledit brûleur à rayonnement ( 13) émette un rayonnement à une intensité égale à ladite intensité de référence. 2 Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que ledit rayonnement est contenu dans le spec- tre ultraviolet supérieur, visible ou infrarouge pro- che. 3 Dispositif pour régler sur une valeur voulue le rapport combustible gazeux-aîr comburant contenu dans un gaz inflammable, utilisé dans un appareil de chauffa- ge ( 11) qui comprend un brûleur à rayonnement ( 3) qui brûle un gaz inflammable composé d'un mélange de combus- tible gazeux et d'air comburant et qui émet un rayonne- ment lorsqu'il brûle ledit gaz inflammable, appareil qui comprend des moyens ( 42) qui fournissent ledit combusti- ble audit brûleur à rayonnement à un ou plusieurs dé- bits, et comprenant des moyens ( 43, 21, 22, 23) qui four- nissent ledit air comburant à un débit variable, ce dis- positif étant caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens qui règlent lesdits moyens ( 42) qui fournissent le combustible gazeux à un débit donné; des moyens ( 31) qui captent l'intensité dudit rayonnement; des moyens ( 32) qui comparent les intensités captées par lesdits moyens capteurs à une intensité de rayonnement de référence, ladite intensité de rayonne- ment de référence étant l'intensité de rayonnement émise par ledit brûleur à rayonnement ( 13) lorsque ce brûleur brûle un gaz inflammable possédant ledit rapport voulu; et des moyens qui commandent lesdits moyens ( 23, 22, 21) qui fournissent l'air comburant de manière à pro- duire un débit d'air comburant qui amène ledit brûleur à rayonnement ( 13) à émettre un rayonnement à une intensi- té égale à ladite intensité de rayonnement de référen- ce. 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que ledit rayonnement est contenu dans le spectre ultraviolet supérieur, visible ou infrarouge pro- che. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que lesdits moyens ( 31) qui captent l'intensi- té comprennent un capteur qui répond audit rayonnement et possède une sortie qui varie avec l'intensité dudit rayonnement; lesdits moyens de comparaison et lesdits moyens de commande comprennent un dispositif de commande ( 32) possédant des moyens du type microprocesseur; et lesdits moyens qui fournissent l'air comburant comprennent une unité formant ventilateur à induction ( 21) possédant un moteur à vitesse variable ( 22) et un contrôleur ( 23). 6 Dispositif selon la revendication 5, compre- nant en outre un circuit ( 34) à fibres optiques interpo- sé entre ledit brûleur à rayonnement et ledit capteur. 7 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre des moyens capables d'étalonner ledit capteur ( 33).