Brevet FR2708717A1 — publié le 19950210

L'invention a pour objet un procédé de conduite du fonctionnement dlune installation de chauffage par tubes radiants et une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Depuis de nombreuses années, des appareils à rayonnement infrarouge sont utilisés pour le chauffage des locaux de grande hauteur, tels que des ateliers ou des gymnases par exemple, ou pour des applications industrielles de séchage de divers produits. Parmi les diverses techniques existantes, on citera ici l'utilisation de tubes rayonnants chauffés au gaz. Dans de telles installations, on utilise un ou plusieurs tubes rayonnants comprenant chacun un ou plusieurs brûleurs fonctionnant au gaz à puissance fixe déterminée. Chaque brûleur est connecté à un tube dans lequel se propage la flamme du brûleur, la combustion s'effectuant à partir d'un mélange de gaz combustible et d'air de dilution, la circulation étant entretenue par un ventilateur extracteur créant une dépression et amenant les produits de la combustion à l'extérieur de l'installation par une cheminée d'évacuation. Le tube relié au brûleur, dans lequel s'effectue la combustion, est porté à température élevée et rayonne en conséquence l'énergie dissipée par le brûleur sous forme de rayonnement infrarouge. Un réflecteur placé au-dessus du tube rayonnant réfléchit le rayonnement vers la zone à réchauffer. L'implantation, les dimensions des tubes et le nombre des brûleurs raccordés à ce tube, donc la puissance de l'installation, dépendent directement des besoins thermiques maximum et sont fixés de façon définitive au moment de la réalisation. De tels systèmes se sont largement développés puisqu'ils sont de construction et d'installation simples, tout en étant efficaces et économes en énergie. Par contre, le fonctionnement des brûleurs à puissance fixe ne permet pas d'adapter la puissance de l'installation aux variations des besoins thermiques d'un local chauffé en fonction de la température extérieure, dans une application de chauffage, ou ne permet pas d'adapter la température du tube émetteur en fonction des processus industriels de séchage mis en oeuvre, lorsqu'il s'agit d'une application à l'industrie. En outre, le rendement de ces installations baisse progressivement dans le temps en fonction de l'encrassement de l'installation, donnant naissance parallèlement à des nuisances, tel que le rejet à l'atmosphère de gaz non brûlés. L'invention a pour objet des perfectionnements à des installations de chauffage par tubes radiants alimentés en gaz, permettant de moduler la puissance de l'installation à volonté sur une plage importante et permettant en outre de maintenir un rendement optimum de l'installation quelles que soient les conditions d'encrassement de l'installation en cours de son fonctionnement. Le procédé de conduite du fonctionnement d'une installation de chauffage par tubes radiants alimentés en gaz et air comburant fonctionnant à partir d'un extracteur des fumées de combustion soumettant lesdits tubes, lorsque l'installation fonctionne, à une dépression et les brûleurs dont sont pourvus les tubes radiants étant alimentés en gaz de combustion au moyen de régulateurs de pression, se caractérise conformément à l'invention en ce que, de façon à permettre une modulation de la puissance rayonnée, on module la dépression créée par l'extracteur en fonction de la demande de puissance en asservissant le débit de gaz fourni au brûleur, à cette dépression et en alimentant lesdits brûleurs en gaz comburant au moyen d'un débit d'air modulé en proportion. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on asservit également le fonctionnement des régulateurs de pression d'admission de gaz aux brûleurs à la valeur de la dépression d'alimentation des brûleurs en air comburant créée par 11 encrassement de l'installation au cours de son fonctionnement. L'invention vise également une installation pour la mise en oeuvre du procédé précité, laquelle installation se caractérise en ce qu'elle comporte, en plus du régulateur de pression d'alimentation en gaz des brûleurs, un second régulateur à pression d'alimentation en gaz des brûleurs placé en série avec le premier, commandé par une prise de pression en relation avec la pression régnant dans une chambre de mélange air/gaz alimentant le brûleur. Selon une autre caractéristique de l'installation conforme à l'invention, celle-ci comporte en outre une seconde prise de pression en relation avec la pression régnant dans un caisson renfermant les organes essentiels de commande de fonctionnement du brûleur et relié à l'atmosphère extérieure par une prise d'air pourvue de son filtre, ladite seconde prise de pression fournissant la pression de référence au premier régulateur de pression d'alimentation en gaz des brûleurs en agissant sur ce régulateur, de telle sorte qu'il délivre une pression de gaz d'autant plus faible que la pression mesurée dans ledit caisson est faible. L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à laide de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 montre de façon schématique une installation comprenant un tube rayonnant linéaire avec un seul brûleur la figure 2 montre, comme la figure 1, l'installation comprenant un seul tube rayonnant mais replié en épingle alimenté par un seul brûleur la figure 3 montre de façon schématique en coupe transversale faite selon le plan III-III de la figure 2, le tube rayonnant en épingle coiffé de son réflecteur la figure 4 montre une installation un peu plus complexe, dans laquelle sont utilisés en parallèle deux tubes rayonnants alimentés chacun par trois brûleurs, les deux tubes étant reliés à un extracteur commun la figure 5 montre en coupe longitudinale une installation à un seul tube linéaire comportant trois brûleurs montés en série et l'extracteur permettant l'évacuation du produit de combustion et le fonctionnement de l'installation la figure 6 est une vue en coupe montrant à plus grande échelle les éléments particuliers conformes à l'invention permettant son fonctionnement en puissance modulée la figure 7 montre, à plus grande échelle encore, le second modulateur de débit de gaz utilisé dans une installation conçue selon l'invention. On décrira tout d'abord brièvement les figures 1 à 5, qui montrent de façon générale une installation à tubes rayonnants et qui s'appliquent aussi bien aux installations de l'art antérieur qu'à celle de l'invention. Ces installations comprennent essentiellement un tube rayonnant référencé respectivement 1, 2, 3 ou 4 dans chacune des figures, ces tubes rayonnants étant portés à température par un ou plusieurs brûleurs 5 schématisés aux figures par une amorce de flamme, chaque brûleur comportant ses organes de contrôle et de commande schématisés en 6. L'installation peut fonctionner grâce à un extracteur des fumées 7 qui crée dans les tubes une dépression et permet simultanément l'alimentation des brûleurs en air comburant ainsi qu'une certaine admission dans les tubes d'un volume d'air de dilution. A la figure 5, on a repéré en 8 la prise d'air de dilution du tube 4 et en 9 les entrées d'air comburant pour l'alimentation de chaque brûleur. A la figure 3, on a schématisé un réflecteur 10, en métal réfléchissant, généralement en aluminium ou en inox, placé au-dessus du tube rayonnant 2 et qui renvoie le rayonnement émis vers la surface à chauffer, généralement les parties basses du bâtiment équipé dans ses structures hautes des tubes rayonnants. Dans la mesure où ce qui vient d'être décrit est classique dans la technique, on n'entrera pas davantage dans les détails de fonctionnement du système. Comme indiqué précédemment, les installations connues fonctionnent par tout ou rien, c'est-à-dire que les brûleurs sont soit arrêtés, soit fonctionnent à pleine puissance, aucune modulation importante de la puissance de fonctionnement n'étant possible en conservant l'hygiène règlementaire de combustion comme indiqué précédemment, en cours du fonctionnement de l'installation, par suite de l'encrassement des brûleurs et des prises d'air comburant les rendements de combustion diminuent, et par suite la puissance fournie par l'installation, tandis que parallèlement l'installation génère des produits imbrûlés polluants. On va maintenant faire référence aux figures 6 et 7, dans lesquelles on a illustré les modifications permettant la mise en oeuvre des perfectionnements conformes à l'invention. En se reportant tout d'abord à la figure 6, on aperçoit tout d'abord, pénétrant dans le tube rayonnant, tel que le tube 4 de la figure 5, la tête de combustion référencée 15 du brûleur, dont on a schématisé les flammes en avant de la tête de combustion. Cette tête de combustion est d'un type classique, par exemple en céramique. Cette tête de combustion est alimentée en mélange air/gaz à partir d'une chambre de mélange référencée 14. Cette chambre de mélange est alimentée en gaz par un injecteur référencé 21 et en air comburant par un orifice calibré référencé 20. L'arrivée de gaz combustible se fait essentiellement à travers deux régulateurs de pression montés en série référencés respectivement 11 pour le premier et 13 pour le second. L'air comburant nécessaire à la combustion et arrivant à l'orifice calibré 20 est pris à l'extérieur au travers d'un filtre à air 23 monté sur un orifice 25 d'admission d'un caisson 24 qui enferme les organes essentiels de l'installation nécessaire au fonctionnement du brûleur. Ainsi à la figure 7, on a référencé également en 12 les électrovannes classiques de sécurité d'alimentation en gaz, en 22 le coffret de commande d'allumage de sécurité et de contrôle de flammes. L'allumage pourra se faire par exemple de façon électronique au moyen d'une électrode d'allumage commandée à partir du coffret 22, l'électrode d'allumage constituant également une électrode d'ionisation pour le contrôle du bon fonctionnement de la flamme du brûleur; ces différents organes ne seront pas décrits plus en détails car ils sont classiques et ne font pas partie de l'invention. En se référant aux figures 6 et 7, on aperçoit qu'entre la chambre de mélange 14 et le second modulateur de débit de gaz 13, on a disposé un petit conduit 16 formant prise de pression permettant d'amener la pression régnant dans la chambre 14 dans une chambre 30 formée audessus de la membrane mobile du régulateur de débit de gaz 13. Sur la membrane 31 est fixé un pointeau 32 qui agit en regard d'un orifice calibré 33 dans lequel le gaz est admis par la conduite 34 alimentée par le premier régulateur de pression d'alimentation en gaz 11. Si le pointeau 32 obture l'orifice calibré 33, le gaz de combustion ne peut être admis dans la canalisation 35 qui se termine par l'injecteur de gaz 21. Si, au contraire, le pointeau 32 dégage l'orifice calibré 33, l'alimentation de l'injecteur 21 peut se faire, pour autant que le premier régulateur de pression 11 laisse passer du gaz, ainsi que les soupapes de sécurité 12. En se référant maintenant à la figure 6, on voit que le premier régulateur de pression 11 est mis en communication par une prise de dépression 36, non pas avec l'atmosphère comme cela se fait habituellement, mais avec l'intérieur du caisson 24. Le fonctionnement de l'installation à partir des modifications fonctionnelles qui viennent d'être décrites va maintenant être expliqué. Le fonctionnement du ventilateur extracteur 7 (figure 5) soumet le tube rayonnant 4 à une dépression, schématisée par la flèche 37 (figure 6), ce qui permet la circulation de l'air de dilution schématisée par les flèches 38. La valeur de la dépression régnant dans le tube 4, ainsi que le débit des produits de combustion, circulant dans les tubes varient suivant le mode de fonctionnement du ventilateur extracteur dont le débit d'extraction est variable. La tête de combustion 15 directement située dans la chambre de combustion référencée 17 (de chaque côté de la tête ceramique 15) est soumise à la variation ou modulation de la valeur de la dépression et entraîne à son tour et proportionnellement une variation de la valeur de la dépression dans la chambre de mélange 14; en effet le mélange air/gaz est "aspiré" de façon plus ou moins forte en fonction de la dépression et du débit gazeux extrait par l'extracteur à débit modulable. La prise de dépression 16, en fonction de la pression variant dans la chambre de mélange 14, fait varier la position de la membrane 31 du régulateur 13. Plus la dépression dans la chambre de mélange air/gaz 14 sera forte, plus la membrane 31 aura tendance à être soulevée dans le sens de la flèche Y et donc, à admettre un plus grand débit de gaz dans le brûleur ; mais, parallèlement, plus cette dépression sera forte, plus le débit d'air comburant admis par l'orifice 20 sera également grand; le tarage du ressort 39 repoussant la membrane 31 et la configuration du pointeau 32 coopérant avec l'orifice 33 sont ainsi choisis que l'on conservera un rapport constant d'alimentation gaz combustible/air comburant pour le fonctionnement du régulateur 13. De cette façon, il sera possible par exemple d'obtenir une modulation de la puissance au brûleur entre 10 et 100 % (3,5 kilowatts et 35 kilowatts pour une variation de débit gazeux extrait de 3 3,5 m3 à 35 m3 par heure pour chaque brûleur). Et dans ces conditions de fonctionnement, le rendement de combustion sur PCI (pouvoir calorifique inférieur) reste voisin de 95 %. A puissance maximale, si l'on utilise des tubes d'acier de diamètre convenable, la température des tubes pourra être portée vers 5600C par exemple. Avantageusement, lorsque la valeur de la dépression dans la chambre de mélange 14 est nulle, le ressort 39 est calibré pour que le pointeau 32 obture l'orifice 33. Par contre, dès qu'une certaine dépression se crée dans la chambre 14, sous l'effet du fonctionnement du ventilateur extracteur, alors le pointeau 32 dégage l'orifice 33, et ceci proportionnellement à la dépression créée. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, le premier régulateur de pression de gaz prend sa pression de référence par le tube 36, non pas à l'extérieur comme habituellement, mais à l'intérieur du caisson 24. Au démarrage de l'installation et lorsque le filtre 23 est propre, la pression régnant dans le caisson 24 est celle de l'atmosphère. Au fur et à mesure que le filtre s'encrasse, la pression dans le caisson 24 va diminuer. L'assujettissement à cette variation de pression du premier régulateur de pression 11 va éviter une suralimentation en gaz par rapport à l'air comburant, de façon à permettre de conserver un rendement optimal de combustion. En effet, sous l'effet d'une dépression régnant dans le caisson 24, la membrane 40 du régulateur 11 a tendance à être soulevée et à fermer en correspondance le débit de gaz admis en 41 sous la pression d'alimentation du réseau. La pression de gaz délivrée par le régulateur 11 va ainsi diminuer en proportion avec la pression d'alimentation de l'air comburant admis dans le caisson 24. Par l'action combinée du régulateur du débit de gaz 11 dont l'installation dans un carter étanche 24 fait qu'il réagit, non pas à la pression extérieure, mais à la pression régnant dans ce caisson 24, et par celle du régulateur de pression de gaz 13 formant modulateur réagissant à la variation de la pression dans la chambre de mélange 14, il est possible de moduler la puissance de chaque brûleur de l'installation dans une plage considérable, tout en conservant la proportionnalité du réglage initial air/gaz et conservant ainsi un rendement de combustion optimal, même en cas d'encrassement de l'installation par défaut d'entretien. Pour obtenir la variation de débit de l'extracteur, on pourra avoir recours à toutes les solutions classiques connues, telles en particulier que les suivantes - utilisation pour le moteur d'entraînement de l'extracteur d'un variateur électronique ou mécanique, - utilisation d'une vanne manuelle ou motorisée créant une prise d'air extérieur à débit variable, - positionnement d'une vanne manuelle ou motorisée sur l'aspiration ou sur le refoulement, - positionnement d'une vanne manuelle ou motorisée créant un certain débit de recyclage au ventilateur fonctionnant alors en partie en bipasse, - etc... La modulation de puissance autorisée par l'invention peut ainsi permettre de satisfaire à tout moment les besoins spécifiques requis et permet également à la mise en route et à l'arrêt de l'installation de réduire les chocs thermiques en programmant une montée en puissance et une extinction progressives. REVENDICATIONS 1. Procédé de conduite du fonctionnement d'une installation de chauffage par tubes radiants alimentés en gaz et air comburant, fonctionnant à partir d'un extracteur des fumées de combustion soumettant lesdits tubes, lorsque l'installation fonctionne, à une dépression et les brûleurs dont sont pourvus les tubes radiants, étant alimentés en gaz de combustion au moyen de régulateurs de pression, ledit procédé étant caractérisé en ce que, de façon à permettre une modulation de la puissance rayonnée, on module la dépression créée par l'extracteur (7) en fonction de la demande de puissance, en asservissant le débit de gaz fourni au brûleur (15) à cette dépression et en alimentant lesdits brûleurs en gaz comburant au moyen d'un débit d'air modulé en proportion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on asservit le fonctionnement des régulateurs de pression d'admission de gaz aux brûleurs à la valeur de la dépression d'alimentation des brûleurs en air comburant créée par l'encrassement de l'installation au cours de son fonctionnement. 3. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, en plus du régulateur de pression (11) d'alimentation en gaz des brûleurs, un second régulateur (13) de la pression d'alimentation en gaz des brûleurs placé en série avec le premier, commandé par une prise de pression (16) en relation avec la pression régnant dans une chambre de mélange (14) air/gaz alimentant le brûleur. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une seconde prise de pression (36) en relation avec la pression régnant dans un caisson (24) renfermant les organes essentiels de commande du fonctionnement du brûleur et relié à l'atmo- sphère extérieure par une prise d'air (25) pourvue de son filtre (23), ladite seconde prise de pression fournissant la pression de référence au premier régulateur de pression (11) d'alimentation en gaz des brûleurs en agissant sur ce régulateur de telle sorte qu'il délivre une pression de gaz d'autant plus faible que la pression mesurée dans ledit caisson (24) est faible. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit caisson (24) enferme en particulier les deux régulateurs de pression (11, 13) et communique avec l'extérieur par la prise d'air filtré (23, 25) précitée et avec le tube radiant (4) par la chambre de mélange (14) air/gaz, qui se termine dans ledit tube radiant par ledit brûleur (15) correspondant. 6. Installation selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que ledit deuxième régulateur (13) comporte une membrane (31) tarée par un ressort (39) tendant à obturer, par le moyen d'un pointeau (32) coopérant avec un orifice calibré (33), l'alimentation de gaz aux brûleurs, et dont l'action est contrecarrée par la dépression régnant sur une face de la membrane et amenée par un conduit (16) de prise de pression reliée à la chambre de mélange (14) air/gaz. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que, dans la situation de pression relative nulle mesurée dans la chambre de mélange (14) air/gaz, ledit pointeau (32) obture l'orifice calibré (33) d'admission de gaz.