Brevet FR2678356A1 — publié le 19921231

Brûleur catalytique à air induit La présente invention concerne un brûleur catalytique à air induit, c est-à-dire un brûleur sans flamme pour lequel le gaz combustible est mélangé à l'air comburant, préalablement à la combustion catalytique. Conformément au document FR-A-2 654 013, pour un appareil de chauffage du type fer à souder portatif, on a décrit et proposé un tel brûleur, comprenant - un injecteur en relation avec un conduit de gaz combustible sous pression, par exemple du butane, lui-même en relation par l'intermédiaire d'un organe de contôle du débit avec une source de ce même gaz, par exemple un réservoir intégré à l'appareil - un organe d'admixtion d'air, dit primaire, audit jet, par exemple un organe dit "venturi", pour obtenir un courant du mélange à brûler - une chambre de distribution en surface dudit courant - une structure catalytique du type "nid d'abeille", comprenant un support réfractaire en céramique, par exemple cylindrique, traversé par une pluralité de canaux de combustion sans flamme, parallèles et adjacents chaque canal est ouvert, à une extrémité sur une face amont du support, en relation avec la chambre de distribution, et à l'autre extrémité sur une face aval dudit support, pour l'évacuation des fumées de combustion ; la paroi interne des canaux est revêtue directement, ou indirectement, par l'intermédiaire d'une couche minérale dite "wash-coat", d'une matière catalytique de combustion, par exemple du platine. Selon ce même document, de manière à augmenter la durée de vie d'un tel brûleur catalytique, les canaux de combustion sont distribués selon la section du support, dans une zone externe ou annulaire, autour d'une zone interne, axiale ou centrale, dont la perte de charge vis-à-vis du mélange à brûler est supérieure à celle de la zone externe, voire infinie. Un tel agencement permet en effet de localiser la combustion catalytique, préférentiellement du côté extérieur à la structure catalytique, là où cette dernière est à même de mieux échanger ou transférer la puissance thermique délivrée, ce qui préserve l'intérieur de cette même structure de tout échauffement excessif. En pratique, une telle solution apparaît satisfaisante mais ne suffit pas pour augmenter de manière significative la durée de vie des structures catalytiques précédemment décrites, en particulier pour des brûleurs catalytiques présentant une forte puissance spécifique ou charge thermique élevée, de l'ordre d'au moins 50 W/cm2, de dimension relativement importante, par exemple ayant un diamètre au moins égal à 10 mm, et donc de puissance thermique globale relativement importante, par exemple au moins égale à l'équivalent d'une combustion de 10 g/h de butane. Un tel brûleur peut par exemple être utilisé dans un appareil de chauffage du type réchaud de cuisson. Dans ces conditions particulièrement sévères pour un brûleur catalytique à air induit, la Demanderesse a en effet observé une prise de feu dans la chambre de distribution, à brève échéance après la mise en servive du brûleur catalytique. La découverte de cette prise de feu, en amont de la structure catalytique, constitue le point de départ de la présente invention, en ce sens que cette flamme contribue bien évidemment à échauffer le support réfractaire au-delà des températures usuelles d'une combustion catalytique, et donc dégrader ledit support. Le catalyseur et donc la durée de vie de la structure catalytique se trouvent alors affectés. Par "prise de feu", on entend le fait qu'un front de flammes s'allume et se stabilise en amont et à proximité de la face amont de la structure catalytique, de telle sorte que la structure catalytique ne peut jouer qu'un rôle de post-combustion, ou aucun rôle du tout. En fait, tout concourt à l'obtention d'un tel front de flammes, plutôt qu'à l'absence d'un tel front - le front rayonnant ou radiant de combustion catalytique sans flamme se trouve situé, comme mis en évidence par ailleurs par la Demanderesse, à l'intérieur du support réfractaire de la structure catalytique, mais juste au voisinage de la face amont - le mélange à brûler arrive sur la face amont de la structure catalytique, plus ou moins en flux laminaire - la proportion combustible-comburant du mélange à brûler se trouve dans la zone d'inflammabilité, et la température sur la face amont de la structure catalytique est supérieure à la température d'inflammation spontanée du mélange à brûler. Par référence à des brûleurs à flamme, on sait déjà obvier la prise de feu en amont de la chambre de combustion, en disposant sur le trajet du mélange à brûler un brise-jet, un diffuseur, ou une grille. En fait, comme montré par les résultats expérimentaux rapportés ci-après, une telle solution appliquée à un brûleur catalytique tel que défini précédemment s'avère être insuffisante vis-à-vis du phénomène prise de feu dans la chambre de distribution. La présente invention a donc pour objet d'apporter une solution obviant efficacement toute prise de feu au voisinage de la face amont de la structure catalytique, c'est-à-dire "léchant" en quelque sorte cette dernière. Selon la présente invention, on a découvert qu'une telle solution pouvait être apportée par la combinaison des moyens suivants 1) un organe convergent est disposé en aval de l'organe d'admixtion d'air, dans la direction de circulation du mélange à brûler, pour obtenir un jet accéléré du mélange à brûler ; cet organe convergent, du type tuyère, débouche dans la chambre de distribution 2) la zone interne, par exemple centrale ou axiale de la structure catalytique, est disposée en face ou en vis-à-vis de la sortie de l'organe convergent ; cette zone interne, ou sa surface amont en relation avec la chambre de distribution, est agencée, par exemple sous forme de pastille, pour former un obstacle transversal situé sur la face amont de la structure catalytique, et renvoyer en sens inverse dans la chambre de distribution, au moins une partie du jet accéléré du mélange à brûler. Le protocole expérimental établi ci-après démontre l'efficacité de cette solution, qui permet tout à la fois de retarder de manière importante la prise de feu, et de maintenir une combustion catalytique correcte, et bien répartie dans toute la section du brûleur catalytique. La présente invention est maintenant décrite par référence au dessin annexé, dans lequel - la Figure 1 représente de manière schématique, avec arrachement partiel, un brûleur catalytique selon l'invention, disposé verticalement - la Figure 2 représente une vue du dessus du même brûleur catalytique. Conformément aux Figures 1 et 2, un brûleur catalytique selon l'invention comprend - un injecteur 1, en relation avec une source non représentée d'un gaz combustible sous pression, par exemple du butane, pour éjecter un jet de ce même gaz - une enveloppe métallique 2, présentant une symétrie de révolution autour de l'axe 3 qui constitue la direction d'éjection du jet de butane, à partir de l'injecteur l ; cette enveloppe comporte du bas vers le haut, une partie tubulaire 2a et une partie cylindrique 2b, de section horizontale plus importante - un organe d'admixtion d'air primaire au jet de gaz combustible, constitué par l'interstice 3 existant entre la bordure inférieure 2c du tube 2a et l'injecteur 1, le jet éjecté de ce dernier aspirant et entraînant l'air ambiant dans ledit interstice, pour obtenir un courant d'un mélange à brûler, circulant dans le tube 2a - une chambre 4 de distribution en surface du courant du mélange à brûler, formée par la partie inférieure de la zone cylindrique 2b de l'enveloppe 2 - une structure catalytique 5 en "nid d'abeille", comprenant un support réfractaire en céramique, traversée par une pluralité de canaux 5a de combustion sans flamme, parallèles et adjacents ; chaque canal 5a est ouvert, à une extrémité sur la face amont 6 du support, en relation avec la chambre de distribution 4, et à l'autre extrémité sur la face aval 7 du support, pour l'évacuation des fumées de combustion ; la paroi interne des canaux 5a est revêtue directement ou indirectement, d'une matière catalytique de combustion, par exemple du platine; comme le montre la Figure 2, les canaux 5a sont distribués selon la section du support dans une zone externe 8, ou périphérique, autour d'une zone interne ou centrale, dont la perte de charge vis-à-vis du mélange à brûler est supérieure à celle de la zone externe, et même infinie, en raison d'un bouchage des canaux 5b à leurs extrémités amont. Selon l'invention, un organe convergent 10 est disposé en aval de l'organe 3 d'admixtion d'air, selon l'axe 3, c'est-à-dire dans la direction de circulation du mélange à brûler. Cet organe 10 débouche dans la chambre de distribution 4, au voisinage de la structure catalytique 5. Comme représenté, le matériau de bouchage 11, disposé dans l'extrémité amont des canaux 5b, permet d'obtenir un obstacle transversal situé dans le plan et sur la face amont de la structure catalytique, pour renvoyer en sens inverse, dans la chambre de distribution 4, au moins une partie du jet accéléré du mélange à brûler. Bien entendu, l'obturation des canaux 5b peut être remplacée par une pastille transversale, fixée dans la zone axiale et sur la face amont 6 de la structure 5. L'efficacité apportée par la présente invention a été comparée avec d'autres solutions, toutes choses égales par ailleurs, c'est-à-dire pour un même bûleur catalytique, présentant une section carrée de 21 mm x 21 mm, avec un taux d'aération du mélange à brûler de 1,2, et pour une puissance spécifique de la structure catalytique de 50 W/cm2.Les résultats comparatifs, rapportés dans le tableau ci-après, ont été obtenus Améliorations dues à l'apport d'une pastille en amont du catalyseur Cata 21x21 / TA = 1,2 / 50 W/cm2 Nature du Nature de l'obstacle Temps d'obtention support réfractaire placé entre l'injecteur de la de la structure catalytique et la structure catalytique prise de feu Matériau dit Diffuseur 12 trous "ZIRKON MULLIT" Diffuseur central 70 heures avec Brise jet Solution selon invention 220 heures (cf Fig. 1 et 2) Matériau dit Diffuseur 12 trous 60 heures "CORDIERITE" I Solution selon invention g > 22Q heures Par diffuseur "12 trous", on entend la disposition dans le tube 2a, en lieu et place de l'organe convergent 10 comportant 12 trous répartis régulièrement. Par "diffuseur central avec brise jet", on entend un obstacle disposé en lieu et place de l'organe convergent 10, selon la direction 3, permettant de briser et diffuser régulièrement le courant du mélange à brûler circulant dans le conduit 2a. Comme déjà dit, le brûleur catalytique précédemment décrit peut appartenir à tout appareil de chauffage, quelle que soit la fonction ou l'utilisation de ce dernier, par exemple soudure, générateur d'air chaud, etc... REVENDICATIONS 1/ Brûleur catalytique à air induit, comprenant un injecteur (1) en relation avec une source d'un gaz combustible sous pression, pour éjecter un jet dudit gaz combustible, un organe (3) d'admixtion d'air audit jet pour obtenir un courant du mélange à brûler, une chambre (4) de distribution en surface dudit courant, une structure catalytique (5) comprenant un support réfractaire traversé par une pluralité de canaux (5a) de combustion sans flamme, parallèles et adjacents, ouverts chacun, à une extrémité sur une face amont (6) du support, en relation avec la chambre de distribution, et à l'autre extrémité sur une face aval (7) dudit support, pour l'évacuation de fumées de combustion, la paroi interne desdits canaux étant revêtue directement ou indirectement d'une matière catalytique, lesdits canaux étant distribués selon la section du support, dans une zone externe (8), autour d'une zone interne (9) dont la perte de charge vis-à-vis du mélange à brûler est supérieure à celle de la zone externe, caractérisé en ce que, d'une part un organe convergent (10) est disposé en aval de l'organe d'admixtion d'air, dans la direction (3) de circulation du mélange à brûler, et débouche dans la chambre de distribution (4), et d'autre part la zone interne (9) de la structure catalytique est disposée directement en face de la sortie de l'organe convergent (10), et est agencée pour former un obstacle transversal (11) situé sur la face amont de la structure catalytique, et renvoyer en sens inverse dans la chambre de distribution, au moins une partie du jet accéléré du mélange à brûler. 2/ Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face amont (6) de la structure catalytique est obturée par une pastille transversale par rapport à la direction de l'organe convergent (10). 3/ Appareil de chauffage, comprenant un brûleur catalytique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2.