Brevet FR2685447A1 — publié le 19930625

L'invention concerne un brûleur à mlange. Je A az et à grille(s) de combustion utilisable en particulier sur des installations de chauffage à tube immergé. Plus précisément, l'invention concerne tout d'abord un brûleur à gaz comprenant: une chambre de répartition pour favoriser le mélange d'air comburant et de gaz combustible, une chambre de combustion communiquant avec la chambre de répartition, avec interposition entre elles d'une grille de stabilisation de flammes, une arrivée d'air comburant pour approvisionner en air la chambre de répartition, et une arrivée de gaz combustible pour approvisionner en gaz cette même chambre de répartition, ladite grille de stabilisation de flammes présentant des premiers orifices de relativement large section la traversant, pour le passage du mélange d'air et de gaz vers la chambre de combustion. On connaît aujourd'hui de nombreux équipements de chauffage pour bains industriels utilisant la technique des tubes immergés compacts. Souvent, ces équipements utilisent des brûleurs dits "à mélange au nez", c'est-à-dire sans répartition, la combustion s'effectuant directement dans la zone o l'air et le gaz se rencontrent. L'expérience a toutefois montré que ce type de brûleur n'est pas totalement satisfaisant en particulier sur des installations à tubes immergés compacts et conduit souvent à une production excessive d'oxyde de carbone, ainsi qu'à un fonctionnement bruyant dû en particulier à des problèmes de turbulences. Le demandeur a déjà proposé, notamment pour ce type de problème, quelques solutions dont l'une est exposée dans la demande de brevet français FR-A-2 606 492 déposée le 7 novembre 1986. Dans un but permanent d'amélioration, le demandeur propose maintenant une installation perfectionnée de combustion et de chauffage, encore plus fiable et plus aisée de maintenance, compte tenu des exigences croissantes en la matière. Ce matériel permet en outre d'accroître le rendement d'ensemble de l'installation par augmentation des performances intrinsèques du brûleur. La solution proposée dans l'invention consiste en particulier en ce que la grille de ce brûleur soit traversée non seulement par lesdits premiers orifices, mais également par des seconds orifices de section plus réduite donnant à la grille une structure lacunaire, poreuse au mélange air/gaz qui circule ainsi à travers ces deux séries d'orifices. Avantageusement, ces orifices seront répartis sur sensiblement toute la surface de la grille, le nombre des seconds orifices étant beaucoup plus important que celui des premiers, de manière que, le brûleur fonctionnant, les flammes développées dans la chambre de combustion comprennent des dards de relativement grande longueur sensiblement dans le prolongement des premiers orifices et une zone de flammes relativement courtes, répartie en regard des dits seconds orifices. De cette façon, le rendement de combustion devrait être optimum et les problèmes classiques de stabilité de flammes nettement moins importants. A priori, la grille pourra être réalisée à partir des matériaux et structures appartenant à la liste suivante: bronze fritté ou empilement de tôles métalliques finement perforées, céramique fibreuse, tissu métallique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le brûleur comprendra en outre, avantageusement, des moyens d'allumage et de contrôle de flammes disposés à côté de la chambre de répartition et débouchant dans la chambre de combustion. De préférence ces moyens d'allumage et de contrôle recevront le flux de mélange nécessaire à l'allumage via une chambre d'allumage isolée ou séparée de la chambre de répartition avec des alimentations indépendantes ou autonomes pour autoriser des dosages air/gaz propres à chacune de ces chambres. Pour l'allumage du brûleur, on pourra recourir soit à un allumage "local" décalé vers l'extérieur de la grille principale, soit à un allumage périphérique par une zone de flammes bordant alors la périphérie de la chambre de combustion. Pour favoriser la résistance mécanique dans le temps notamment de la grille principale face en particulier aux contraintes thermiques, une autre caractéristique de l'invention prévoit de disposer une turbine de brassage des gaz dans la chambre de répartition. Outre le brûleur qui vient d'être présenté, l'invention se rapporte également à une installation de chauffage d'un bain de liquide chauffé par un tel brûleur dont la chambre de combustion immergée dans ledit bain se raccorde à au moins un tube-échangeur également immergé dans ce bain et dans lequel pourront circuler, avant leur évacuation, les produits de combustion générés par le brûleur. Dans ce qui suit, on va maintenant décrire de façon plus détaillée un mode de réalisation de l'invention, en faisant pour cela référence à des dessins d'accompagnement donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique locale du brûleur de l'invention suivant une coupe faite le long de la ligne I-I de la figure 2, la figue 2 est une vue de dessus du même brûleur dans le sens de la flèche II de la figure 1, la figure 3 est une vue locale agrandie en plan d'une grille poreuse utilisable dans le cadre de l'invention, la figure 4 est une autre vue locale du brûleur de l'invention le long de la ligne de coupe IV-IV de la figure 2, la figure 5 est une vue schématique du brûleur de l'invention utilisé sur une installation à tube immergé compact, et la figure 6 illustre une variante de réalisation. En se reportant tout d'abord aux figures 1 et 2, le brûleur repéré dans son ensemble 1 comporte une chambre de répartition (dite aussi de "prémélange") dans laquelle débouche, par une ouverture de préférence radiale , l'air comburant et le gaz combustible qui commencent à se mélanger. En 7, on a repéré l'arrivée de gaz combustible dont le flux est dirigé, via au moins un orifice transversal avant 7 a ou arrière 7 b (figure 2), sensiblement parallèlement au flux d'air sous pression (air soufflé) qui arrive par la conduite radiale 9. La chambre de répartition 3, qui a la forme générale d'un caisson cylindrique à section sensiblement circulaire, est limitée transversalement sur sa face avant (AV) par une grille de stabilisation de flammes 11 traversée par le mélange d'air et de gaz, après passage de ce dernier par une chicane ou une goulotte 12 de distribution définie ou limitée par une plaque ou tout autre obstacle transversal 13 favorable au mélange homogène des gaz. La grille il a pour fonction d'assurer une répartition convenable et une bonne stabilisation des flammes à l'entrée de la chambre de combustion 15 o vont se développer ces flammes. Pour favoriser cela, et comme on le voit plus clairement sur la figure 3, cette grille qui a ici la forme générale d'une plaque sensiblement plane, a été construite pour être traversée, sur son épaisseur e, par de préférence deux séries d'orifices comprenant des premiers orifices 19 a de relativement large section (quelques m M 2), ainsi que des seconds orifices 19 b de section plus réduite donnant à la grille une structure lacunaire, poreuse au mélange air/gaz. En pratique, ces deux séries d'orifices seront avantageusement réparties sur sensiblement toute la surface active de la grille Et le nombre des seconds orifices de diffusion 19 b sera beaucoup plus important que celui des orifices principaux 19 a, par exemple dans un rapport compris sensiblement entre 15 à 1 et 30 à 1 Quant à la section droite de ces seconds orifices 19 b, elle sera de préférence de 2 à 4 fois plus petite que celle des premiers orifices 19 a. De cette manière, le brûleur fonctionnant, les flammes développées dans la chambre de combustion (dont la section droite sera de préférence légèrement inférieure à celle de la grille) comprendront des dards 21 a de relativement grande longueur s'étendant sensiblement dans le prolongement des premiers orifices 19 a, tandis qu'une zone générale de flammes relativement courtes 21 b se répartira en regard des seconds orifices 19 b. Dans la pratique, la grille pourra notamment être réalisée à partir de matériaux et structures du type bronze fritté ou empilement de tôles métalliques finement perforées ou encore de céramique fibreuse ou de tissu métallique. Par exemple, dans le cadre d'une grille en bronze fritté, on pourra prévoir d'utiliser une plaque en cette matière d'épaisseur 3 mm environ, percée de trous de 2 mm de section selon un pas carré de 8 mm, le degré de vide correspondant à ces perçages étant d'environ 3 à 8 %. Les essais ont montré que fonctionnait très bien une telle grille dont la puissance représentée par les petits orifices de diffusion 19 b représentait environ 30 à % de la puissance totale. On notera qu'un avantage complémentaire d'une telle structure est d'en assurer le refroidissement interne par circulation à travers elle du débit air/gaz. On pourrait même prévoir que les seconds orifices 19 b, avantageusement ménagés sensiblement régulièrement à travers la surface de cette grille, débouchent pour certains d'entre eux aléatoirement sur tel ou tel orifice principal 19 a, augmentant ainsi la section de ces derniers, comme cela est illustré par exemple à l'endroit de l'orifice 19 al de la figure 3. Revenant à la structure du brûleur des figures 1, 2 ou 4, on notera encore qu'il comprend de façon classique des moyens d'allumage 23 permettant de déclencher la combustion, ainsi que des moyens de contrôle 25 de la présence des flammes. Les moyens d'allumage pourront par exemple consister en une bougie, du type bougie d'automobile, montée à travers la grille principale 11. Comme les moyens de contrôle 25, ces moyens d'allumage seront de préférence disposés en dehors, à côté de la chambre de répartition 3. Plus précisément, l'allumeur 23 pourra être disposé à l'endroit d'un passage 27 (voir figure 4) ménagé de côté, à travers la grille 11, ce passage recevant une partie de la tête du brûleur formant support d'allumeur 29 équipé d'arrivées autonomes de gaz combustible 31 et d'air comburant 33 (voir figures 1 et 2) pour alimenter une chambre de mélange d'allumage 35 Cette chambre, de préférence séparée ou isolée de la chambre de répartition par une paroi 36, pourra communiquer avec la chambre de combustion 15 à travers une grille complémentaire 37 de stabilisation de la flamme d'allumage, cette grille s'étendant alors sensiblement parallèlement au plan de la grille principale 11 et étant traversée par l'allumeur 23, de manière que les électrodes 23 a de ce dernier débouchent dans la chambre de combustion 15 pour y enflammer le mélange. Ainsi disposé, l'allumeur 23 s'étendra de préférence sensiblement parallèlement à l'axe général 39 de la chambre 15, plutôt vers la périphérie de la grille 11. Quant à la chambre d'allumage 35, elle pourra présenter en partie haute la forme d'une colonne verticale creuse, annulaire, entourant une cavité centrale ouverte à l'air libre du support d'allumeur, la tête 23 b de l'allumeur avec son câble d'alimentation 41 s'étendant dans cette cavité centrale En outre, grâce à une alimentation tangentielle en air à sa partie supérieure, cette même chambre assurera un mélange par brassage rotatif des gaz jusqu'à ce qu'ils rencontrent, en partie inférieure, la grille transversale 37 à l'endroit o la chambre d'allumage reprend la forme d'un disque. Pour contrôler la présence des flammes dans la chambre de combustion, le brûleur pourra donc en outre être équipé d'un moyen de contrôle 25 dont la sonde, constituée par exemple par une électrode 25 a de préférence rectiligne, s'étendra dans la zone de développement des flammes accrochées respectivement à la grille principale 11 et à la grille secondaire d'allumage 37, comme cela apparaît clairement sur la figure 4. Ainsi disposé, le moyen de contrôle 25 pourra traverser un puits 43 traversant lui-même un second passage 45 ménagé à travers la grille principale il pour que la sonde 25 a puisse communiquer avec la chambre de combustion , la tête 25 b de ce moyen de contrôle avec son câble d'alimentation électrique 47 restant bien entendu à l'écart de la zone de combustion pour être refroidis par l'air ambiant. En comparant les figures 1 et 4, on remarquera également que la grille principale il sera avantageusement maintenue à sa périphérie par une bride 49 s'étendant extérieurement, sensiblement au niveau de la liaison pouvant être amovible entre la partie supérieure du brûleur comprenant la chambre de répartition 3 et la partie inférieure comprenant la chambre de combustion 15. Pour ce faire, la bride 49 définira localement une cavité annulaire 51 extérieure aux chambres 3 et 15. Dans cette cavité, un moyen de retenue 53, tel qu'un circlips, pourra maintenir avec un certain jeu possible la bordure périphérique de la grille 11. Ainsi, la zone de maintien de cette grille sera-t'elle relativement isolée thermiquement de la partie chaude du brûleur et la grille pourra-t'elle absorber plus aisément les contraintes thermiques. Intéressons-nous maintenant à la figure 5, pour décrire brièvement l'application privilégiée du brûleur 1 de l'invention au chauffage d'un bain industriel de liquide 55 o sont immergés au moins la chambre de combustion 15 du brûleur ainsi qu'un tube échangeur de chaleur 57 raccordé à la sortie 15 a de la chambre de combustion 15 et qui serpente dans le bain 55, lequel est chauffé par échange thermique avec les produits de combustion générés par le brûleur et circulant dans le tube avant d'être évacués vers la sortie 57 a de ce même tube. Sur la figure 6, on a représenté une variante de réalisation du brûleur de l'invention qui se caractérise par une turbine de brassage et un allumage périphérique. Ce brûleur, repéré 10 comprend comme le précédent une chambre de répartition 30 communiquant avec une chambre de combustion 32 à travers une grille principale de combustion 34 du même type que la précédente ( 11). La chambre de répartition 30 est ici alimentée tangentiellement en air et gaz combustible (déjà au moins partiellement mélangés de préférence) via une tubulure d'admission 38 pouvant être issue en amont de l'arrivée d'air 38 a sur laquelle est raccordée l'arrivée de gaz 38 b. Pour améliorer la qualité de la combustion et favoriser une bonne tenue aux contraintes thermiques de la grille 32, on a disposé face à elle, dans la chambre 30,une turbine de brassage 40 Il est apparu préférable de placer cette turbine sensiblement au niveau de la zone, opposée à la grille, o la conduite latérale 38 se raccorde tangentiellement à la chambre 30. De cette manière, les pales de la turbine vont pouvoir recevoir transversalement le mélange gazeux et être ainsi naturellement entraînées en rotation en créant des courants de recirculation favorables à l'homogénéisation des gaz et à la limitation des contraintes thermiques. Un bossage 42 situé, sur la figure 1, vers le sommet de la chambre 30 soutient l'arbre de rotation 44 de la turbine qui peut y tourner de manière classique, via des roulements à bille (non représentés). Pour l'allumage du brûleur, la solution retenue ici consiste en un allumage "périphérique", via une chambre d'allumage 46 s'étendant tout autour de la chambre de répartition 30, a priori essentiellement dans sa partie avant (AV). De manière en particulier à pouvoir régler à volonté et de manière autonome l'air et le gaz alimentant respectivement les chambres de répartition et d'allumage, il est apparu à nouveau préférable de les "isoler" l'une de l'autre par une cloison de séparation 48 et d'assurer à la chambre d'allumage 46 sa propre arrivée de mélange, via une tubulure d'alimentation tangentielle 50. Et, pour l'accrochage de la flamme d'allumage, une grille secondaire de combustion 52 a également été interposée entre la chambre d'allumage et la chambre de combustion. Les chambres de répartition et d'allumage étant de préférence disposées concentriquement, cette grille secondaire pourra en particulier présenter la forme d'un cadre ou d'une couronne entourant la grille principale. Une telle disposition est avantageuse. En effet, si l'on monte les moyens 23, 25 précités d'allumage et de contrôle de flammes dans la chambre 46, de telle manière qu'ils traversent la grille 52, pour déboucher dans la chambre 32, il va être possible non seulement d'assurer un allumage périphérique efficace, mais également d'améliorer les conditions de contrôle en limitant les contraintes thermiques supportées par ces accesssoires Pour cela il suffira, lorsque la séquence d'allumage du cycle de mise en marche du brûleur sera achevéeet que ce dernier sera maintenu allumé grâce à la détection des flammes, de couper l'alimentation en gaz de la chambre 46 en maintenant son approvisionnement en air. Les flammes accrochées jusqu'à la grille secondaire 52 s'éteindront donc Mais l'air continuera à s'échapper par cette grille vers la chambre de combustion, ce flux d'air constituant alors un excellent moyen de refroidissement continu au moins de la bougie 23 et de l'électrode de contrôle 25. On notera que ce principe de soufflage d'air après allumage est tout à fait adaptable au cas du brûleur des figures 1 à 5 De même, le principe de l'allumage périphérique pourrait être retenu sur ce brûleur, la chambre d'allumage 46 avec ses accessoires pouvant ainsi venir entourer la base (repéré 3 ' sur la figure 1) de la chambre de répartition 3. 1 i REVENDICATIONS 1 Brûleur à gaz comprenant une chambre de répartition ( 3, 30) pour mélanger de l'air comburant et du gaz combustible, une chambre de combustion ( 15, 32) communiquant avec la chambre de répartition ( 3, 30), avec interposition entre elles d'une grille principale de stabilisation de flammes ( 11, 34), une arrivée d'air comburant ( 9, 38 a) pour approvisionner en air la chambre de répartition, et une arrivée de gaz combustible ( 7, 38 b) pour approvisionner en gaz cette même chambre de répartition, ladite grille principale ( 11, 34) présentant des premiers orifices ( 19 a) de relativement large section la traversant, pour le passage du mélange d'air et de gaz vers la chambre de combustion, caractérisé en ce que la grille ( 11, 34) comprend en outre des seconds orifices ( 19 b) de section plus réduite donnant à la grille une structure lacunaire, poreuse audit mélange qui circule ainsi à travers à la fois les premiers et les seconds orifices ( 19 a, 19 b). 2 Brûleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premiers et seconds orifices ( 19 a, 19 b) de la grille principale sont répartis sur sensiblement toute la surface de cette dernière, le nombre desdits seconds orifices ( 19 b) étant beaucoup plus important que celui des premiers, de manière que le brûleur fonctionnant, les flammes développées dans la chambre de combustion comprennent des dards de relativement grande longueur ( 21 a) sensiblement dans le prolongement des premiers orifices et une zone ( 21 b) de flammes relativement courtes réparties en regard desdits seconds orifices ( 19 b). 3 Brûleur selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la grille principale ( 11, 34) est réalisée à partir des matériaux et structures appartenant à la liste suivante: bronze fritté ou empilement de tôles métalliques perforées, céramique fibreuse, tissu métallique. 4 Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les seconds orifices ( 19 b) de la grille principale présentent une section environ 2 à 4 fois plus petite que celle des premiers orifices. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les seconds orifices ( 19 b) de la grille principale sont ménagés régulièrement à travers la surface de cette dernière, certains d'entre eux débouchant sur certains au moins desdits premiers orifices ( 19 a), augmentant ainsi la section de ces derniers. 6 Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que dans la chambre de répartition ( 3) un obstacle ( 13) est interposé sur le trajet des gaz se dirigeant vers la chambre de combustion, pour favoriser leur mélange. 7 Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre des moyens ( 23) d'allumage, caractérisé en ce que ces moyens d'allumage sont disposés à côté de la chambre de répartition ( 3) et traversent la grille principale ( 11) pour déboucher dans la chambre de combustion ( 15). 8 Brûleur selon la revendication 7 caractérisé en ce que les moyens d'allumage ( 23) sont montés sur un support d'allumeur ( 29) renfermant une chambre de mélange d'allumage ( 35) séparée de la chambre de répartition par une paroi ( 36), ladite chambre qui est alimentée de façon autonome en air et en gaz combustible, communiquent avec la chambre de combustion ( 15) du brûleur par un passage ( 27) ménagé de côté dans la grille principale ( 11) et en travers duquel est disposée une grille secondaire ( 37) de stabilisation de la flamme d'allumage, elle-même traversée par lesdits moyens d'allumage ( 23). 9 Brûleur selon la revendication 8 caractérisé en ce que la chambre de mélange d'allumage ( 35) présente une partie annulaire entourant une partie centrale creuse du support d'allumeur ( 29) ouverte à l'air libre et recevant lesdits moyens d'allumage ( 23), ladite partie annulaire de la chambre d'allumage qui est alimentée tangentiellement en air comburant assurant le mélange, avec mise en rotation, de l'air et du gaz combustible qu'elle reçoit. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 comprenant des moyens ( 25) de contrôle de présence de flammes équipés d'une sonde de contrôle ( 25 a), caractérisé en ce qu'ils sont disposés à côté de la chambre de répartition ( 3), leur sonde traversant la grille principale ( 11) pour déboucher dans la chambre de combustion ( 15). il Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la grille principale ( 11) est maintenue à sa périphérie par une bride ( 49) qui s'étend au niveau de la liaison entre les chambres de répartition ( 3) et de combustion ( 15), cette bride définissant localement une cavité ( 51) sensiblement annulaire extérieure auxdites chambres et o un moyen ( 53) de retenue, ainsi relativement isolé thermiquement, maintient avec un certain jeu possible la bordure périphérique de ladite grille. 12 Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la section droite de la chambre de combustion ( 15) est légèrement inférieure à celle de la grille principale ( 11). 13 Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'air et le gaz combustible commencent à se mélanger en amont de la chambre de répartition ( 3, 34) o leur mélange se poursuit. 14 Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite chambre de répartition ( 30) est alimentée tangentiellement en air et en gaz et comprend une turbine ( 40) qui en favorise le mélange et est propice à la résistance mécanique dans le temps de la grille principale ( 34). Brûleur selon la revendication 14 caractérisé en ce que la turbine ( 40) est disposée face à la grille principale ( 34), sensiblement au niveau de la zone o la chambre de répartition ( 30) est alimentéeenairet La Z via une conduite latérale ( 38). 16 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6 ou 14, 15 caractérisé en ce que la chambre de répartition ( 3, 30) est entourée par une chambre d'allumage ( 46) périphérique alimentée en air et en gaz combustible et communiquant avec ladite chambre de combustion ( 15, 32) pour un allumage du brûleur par la périphérie de cette chambre de combustion. 17 Brûleur selon la revendication 16 caractérisé en que la chambre d'allumage périphérique ( 46) communique avec la chambre de combustion ( 32) avec interposition entre elles d'une grille secondaire de combustion ( 52) à travers laquelle sont montés des moyens ( 23, 25) d'allumage et/ou de contrôle de flammes, ainsi déportés à l'écart de la grille principale de combustion ( 34). 18 Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les chambres d'allumage ( 35, 46) et de répartition ( 3, 30) sont isolées l'une de l'autre par une paroi ( 36, 48) avec chacune des conduits ( 5, 31, 33; 38, 50) d'alimentation en air et gaz combustible qui s'y raccordent, de manière que leurs proportions d'air et de gaz soient indépendantes l'une de l'autre. 19 Installation de chauffage d'un bain de liquide comprenant le brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes dont la chambre de combustion ( 15, 32) immergée dans ledit bain ( 55) se raccorde à au moins un tube échangeur thermique ( 57) également immergé dans ce bain et dans lequel circulent, avant leur évacuation, des produits de combustion générés par le brûleur.