Brevet FR2716955A1 — publié le 19950908

D E S C R I P T I 0 N DESCRIPTION La présente invention concerne la conservation d'une bonne carburation des brdleurs atmosphériques à gaz prévus pour fonctionner en régime nominal de basse pression quand on désire moduler leur régime jusqu'à un ralenti minimum par tout système de régulation à variation dégressive à partir de la pression nominale jusqu'à un ralenti minimum. Dans l'état actuel de la technique, les brdleurs fonc- tionnant en basse pression, c'eàt-à-dire à une pression généra- lement inférieure à 500 Mbar, sont affectés par une détériora- tion de la qualité de la combustion si la pression d'alimenta- tion descend sensiblement au-dessous de la valeur nominale pour laquelle ils ont été conçus. En effet, l'équilibre du dosage du gaz carburant injecté et de l'air comburant aspiré ne reste satisfaisant que dans les limites d'une plage restreinte au-dessous de la pression nominale Cet état de fait interdit l'utilisation d'une régulation par variation dégressive sensible de la pression d'alimentation jusqu'à un ralenti minimum et conduit à utiliser une régulation " tout ou rien" nécessitant alors un réallumage électrique ou un dispositif de veilleuse. Cet inconvénient d'impossibilité d'une grande plage de régulation par variation dégressive en pression nominale faible sans entrainer une détérioration de la qualité de combustion, s'atténue et s'efface rapidement lorsque les appareils sont prévus pour fonctionner à des pressions supérieures à 1 Bar. La plage de bonne carburation s'élargit lorsque la pression s'élève, et c'est ainsi qu'avec des appareils prévus, par exemple, pour fonctionner à 1,4 Bar en régime nominal,on peut descendre la pression jusqu'à une pression de ralenti de 0,02Bar. La question concerne donc les appareils " basse pression ' soit, à titre d'exemple, un appareil fonctionnant à une pression nominale de 100 Mbar pour lequel l'admission d'air aspiré et le flux de gaz débité par son injecteur ne restent pas propor- tionnelles dès lors que l'on descend au-dessous de 75 % de la valeur du régime nominal. /.. Les dispositifs suivant l'invention résolvent cette difficulté, quand on réduit le régime nominal: par abaissement de la pression de gaz dans la première version 5. par réduction du débit de gaz dans la deuxième version jusqu'à un ralenti minimum de même niveau inférieur que celui obtenu avec des appareils fonctionnant en haute pression. Version en régulation par modulation de pression d'alimenta- tion en gaz: Le dispositif suivant l'invention comprend alors: centré dans le venturi ( 1) du brdleur: un tube porte-injecteur ( 2): taraudé à l'une de ses extrémités pour recevoir un injecteur (3) de calibre fixe, à buse cylindrique (4), de hauteur (4a), buse calibrée pour débiter un flux de gaz correspondant à la puissance nominale du brdleur à la pression nominale; fileté à l'autre extrémité, pour se visser dans la chambre ( 5) divisée en deux compartiments ( 6) et ( 7) par une membrane ( 8) À une tige ( 9) placée à l'intérieur du tube porte- in- jecteur ( 2) et dont le diamètre est inférieur au diamètre intérieur du tube porte-injecteur, afin de permettre le passage du gaz à l'intérieur du tube jusqu'à l'injecteur. à l'extrémité de la tige ( 9), côté injecteur (3), une aiguille ( 10) à extrémité effilée en cône selon des caractéristiques indiquées plus loin; À l'autre extrémité de la tige ( 9) est fixée à la membrane ( 8) dans le compartiment ( 6) de la chambre ( 5). Ce compartiment ( 6), côté du tube porte-injecteur, comporte latéralement un orifice taraudé ( 11), destiné à recevoir l'alimentation en gaz. /.. l'autre compartiment ( 7) est destiné à recevoir un ressort à compression ( 12) s'appuyant, d'un côté sur la membrane ( 8) et de l'autre côté sur une butte mobile ( 13) commandée par une vis de réglage ( 14). Un trou d'évent ( 15) assure la mise à la pression atmosphérique. Fonctionnement du dispositif selon cette première version en régulation par variation de la pression: À Au repos, c'est-à-dire à pression nulle, la membrane (8) est repoussée par le ressort ( 12) au fond du compartiment(6) L'aiguille ( 10) solidaire de la tige ( 9), elle-même assujettie à la membrane ( 8) traverse l'injecteur ( 3). La partie de section cylindrique ( 10a) de l'aiguille ( o10) occupe le cylindre creux constituant la buse ( 4) de l'injecteur ( 3). A la pression minimum, correspondant au régime de ralenti, sous l'action de la membrane ( 8) qui compresse le ressort ( 12), l'aiguille ( 10) commence à reculer dans l'injecteur. La section cylindrique, à la limite de la partie conique(lo0b) de l'aiguille se trouve alors à l'entrée de la buse de l'injecteur, côté intérieur. Le flux de gaz, correspondant au ralenti minimum de fonctionnement, passe entre l'aiguille et la buse de l'injecteur. La partie conique ( 10b) de l'aiguille ( 10) qui occupe la buse de l'injecteur remplit alors un rôle primordial expliqué plus loin. Au fur et à mesure que la pression monte, la membrane fait reculer l'aiguille. La section conique de l'aiguille diminuant à l'entrée de la buse cylindrique de l'injecteur, côté inté- rieur, le flux de gaz augmente. La perte de vitesse de ce flux, qui correspondrait à l'augmentation de la couronne de passege du flux de gaz entre la buse ( 4) et la section conique ( lob) de l'aiguille, est compensée par l'augmentation de la pression qui monte, et, de ce fait, la capacité d'aspiration de l'air comburant dans le venturi est assurée. /... Lorsque la pression nominale est atteinte, la membrane fait reculer l'aiguille jusqu'à ce que la pointe de la partie conique de l'aiguille libère la section de la buse cylindrique ( 4) de l'injecteur ( 3). Le calibre de l'injecteur est donc choisi, dans cette version, en fonction de la puissance nominale, à la pression nominale, du brûleur considéré. Il s'agit donc d'un choix d'injecteur classique, puisqu'à la pression nominale l'aiguille libère le canal de la buse cylindrique ( 4). Les caractéristiques de l'aiguille, c'est-à-dire sa lon- gueur, sa course utile, son diamètre cylindrique, la conicité de son extrémité, doivent tenir compte des paramètres suivants: a) longueur: plus longue que la longueur " hors tout " de l'injecteur ( 3), filetage compris, afin que l'admis- sion du gaz dans l'injecteur ne soit pas gLnée par la base de la tige ( 9) à laquelle est assujettie l'aiguille, quand celle-ci, en position de pression minimum débouche hors de l'injecteur d'une valeur déterminée par la longueur du cylindre creux de la buse ( 4) de l'injecteur et la course utile de la membrane et donc de celle de l'aiguille. b) diamètre cylindrique: doit être choisi de telle sorte que la couronne laissée libre entre le calibre de la buse de l'injecteur et le corps cylindrique de l'aiguille corresponde, au maximum, dans les conditions de pression minimale, au flux de gaz à admettre dans la buse de l'injecteur. c) profil conique: dans la pratique, ce profil est à angle constant. N.B: toutefois, si la nécessité d'un changement d'angle se présentait, rien ne s'oppose à ce changement d'angle le long du profil. La hauteur de ce profil dépend de la course utile de l'aiguille, et donc de la course de débattement de la membrane sous l'action de la pression et la réaction du ressort ( 12). La raideur de ce ressort est choisie en fonction de la course retenue pour la membrane et obtenue pour l'aiguille. /1.. Cette course retenue dépend, non seulement de la longueur du cylindre creux de la buse de l'injecteur, mais aussi d'une particularité annoncée précédemment: il est en effet, primordial, lorsqu'on se trouve en fonctionnement dans la moitié inférieure du régime nominal, que l'extrémité, côté pointe de l'aiguille, ait déjà débouché hors de la buse de l'injecteur, côté sortie vers l'extérieur. En effet, l'âme conique de l'aiguille, en occupant alors, la totalité du cylindre de la buse de l'injecteur, dessine, en couronne, sur toute la longueur de la buse, un volume creux: de forme cylindrique à sa périphérie extérieure 15. conique et inverse de l'aiguille à sa périphérie intérieure. La géométrie des parois périphériques de ce volume creux provoque, alors, un effet venturi qui empêche la création de turbulences parasites et la perte de vites- se qui en découlerait pour le flux de gaz, comme ce serait le cas pour une aiguille qui s'arrêterait à mi-cylindre de la buse d'un injecteur calibré pour le régime nominal à la pression nominale et donc non calibré pour un régime inférieur à une pression inférieure. La course de l'aiguille doit aussi tenir compte d'une tolérance de réglage par la vis ( 14), agissant sur le ressort ( 12) et donc sur la position de l'aiguille par rapport à l'injecteur. La position initiale de celle-ci doit pouvoir être ajustée pour correspondre au débit recherché à la pression de ralenti. /... Version en régulation par modulation du débit de gaz à pression d'alimentation fixe ( pression nominale) Le dispositif suivant l'invention peut être asservi, à titre d'exemple, à une vanne thermostatique à modulation de débit. Le dispositif suivant l'invention comprend alors: centré dans le venturi ( 17) du brleur: un tube porte-injecteur ( 18): taraudé à l'une de ses extrémités pour re- cevoir un injecteur ( 19) de calibre fixe, dont la buse cylindrique ( 20) de hauteur (20a) est calibrée pour débiter un flux de gaz donnant la puissance nominale du bruleur lorsque une aiguille ( 21) qui la traverse est positionnée par le clapet (22) de la vanne thermostatique ( 16) à la position de débit nominal; fileté à l'autre extrémité pour se visser dans l'orifice ( 23) de sortie du gaz de la vanne ( 16). 20. une tige ( 24 ) lacée à l'intérieur du tube porte-injecteur ( 18) et dont le diamètre est inférieur au diamètre du tube porte-injecteur (18) afin de permettre le passage du gaz à l'intérieur de ce tube jusqu'à l'injecteur (19). 25. sur la tige ( 24 ) est enfilé un ressort (25) s'appuyant, côté injecteur, sur un épaulement du tube porte-inJecteur( 18) et, de l'autre côté, sur une bague de butée ( 26) solidaire de la tige ( 24). 30. à l'extrémité de la tige, côté injecteur, l'aiguille ( 21), à extrémité effilée en cône, selon les caractéristiques indiquées plus loin, parce qu'elles dépendent: de la course pour laquelle est construite la vanne thermostatique avec son clapet ( 22). /.. de la hauteur ( 20 a) de la buse cylin- drique ( 20) de l'injecteur ( 19) l'autre extrémité de la tige (24), côté clapet ( 22) est maintenue en appui constant contre celui-ci par le ressort ( 25), quelle que soit la position du clapet dans sa course thermos- tatique. La vanne thermostatique ( 16) alimentée, à la pression nominale fixe choisie, par l'orifice d'entrée ( 27) est de prin- cipe connu à dilatation d'un fluide entre un soufflet ( 28) faisant office de piston sur le clapet ( 22) déjà mentionné. Celui-ci transmet son mouvement de translation à la tige ( 24), et dans le sens de la fermeture, obture la sortie principale (29) du az, en fin de coursemise à pression atmosphérique par l'event (337 L'étanchéité de la vanne est assurée par une membrane ( 32). L'utilisation d'une membrane au lieu d'un joint torique sur axe entre soufflet ( 28) et clapet ( 22) utilisé dans les vannes de ce type est suffisante pour la raison que les pressions nominales concernant le dispositif sont faibles et ne sont pas un obstacle à l'action du soufflet ( 28) sur le clapet (22). Un pré-injecteur de ralenti ( 30) de calibre approprié, est disposé dans la vanne, en dérivation du circuit principal passant par le clapet. Il assure, lorsque le clapet est en posi- tion fermée, un débit de gaz correspondant au régime minimum de ralenti du brdleur auquel il est destiné. Ce pré-injecteur de ralenti est monté " tête-bêche ", l'orifice d'entrée du gaz étant celui de son extrémité conique, contrairement à la disposition classique. Cette disposition a pour but d'éviter l'accumulation et l'agglomération de micro- impuretés, provenant des conduites et du gaz commercial lui- même. Dans la disposition classique, avec entrée du gaz par l'extrémité opposée au profil conique, cette conicité, étant aus- si bien à l'intérieur qu'à l'extérieur, par nécessité technolo- gique de perforation de l'orifice calibré, forme un goulot d'étranglement o les micro - impuretés peuvent s'y agglomérer et s'y tasser et conduit à l'obturation des injecteurs de faible calibre. /...1 Dans la disposition adoptée, si une micro-impureté réussit à franchir le tamis ( 31), dont la définition de maille est inférieure à celle du calibre du pré-injecteur de ralenti ( 30), elle n'aura aucune chance de s'accumuler dans ce pré- injecteur après s'être introduite par la pointe de sa partie conique. Fonctionnement du dispositif selon cette seconde version en régulation par modulation du débit de gaz d'une vanne à pression nominale d'alimentation fixe Au débit maximum correspondant à l'ouverture maximum du clapet ( 22), la tige ( 24) et l'aiguille ( 21) sont reculées au maximum prévu par rapport à l'entrée de la buse cylindrique ( 20) de l'injecteur ( 19). Dans cette position, la partie conique ( 21b) de l'ai- guille doit cependant traverser totalement la buse de l'injec- teur, et même dépasser la sortie extérieure de la buse, pour des raisons propres à cette seconde version et indiquée plus loin. La fin de la partie conique, c8té diamètre cylindrique ( 21a)de l'aiguille, doit alors se trouver, par rapport à la buse de l'injecteur, côté entrée du gaz, reculée de telle maniè- re que la couronne laissée libre pour le passage du gaz entre la section de la buse et la section de la partie conique de l'aiguille, au niveau de l'entrée de la buse, corresponde au débit nominal de passage de gaz. Lorsque le clapet ( 22), et donc l'aiguille, avance, cette translation provoque une réduction progressive de la couronne laissée libre, et donc une diminution du débit du gaz entre le calibre invariable de la buse de l'injecteur et la section croissante de la partie conique de l'aiguille au niveau de l'entrée dans la buse ( 20). Lorsque le clapet ( 22) parvient à sa position de fer- meture du circuit principal ( 29), le circuit de dérivation par le pré-injecteur ( 30) assure le débit minimum de gaz néces- saire au ralenti. Ce débit parvient à l'injecteur par la couron- ne laissée libre entre la buse cylindrique de l'injecteur et la partie cylindrique de l'aiguille. Cette partie cylindrique, en effet, se trouve alors au niveau de l'entrée de la buse, ceté intérieur. /... Le diamètre de la partie cylindrique de l'aiguille, le profil conique de son extrémité effilée, sont déterminés: en corrélation avec le diamètre de la buse cylindrique ( 20) de l'injecteur ( 19); 5. en fonction de la course imposée par la vanne de régulation de débit utilisée. En effet, dans le cas d'une vanne thermostatique, la course imposée par un piston à soufflet par la dilatation du fluide et l'ajustage, par le constructeur de la vanne, de la course utile du clapet est, en général, de faible ampleur, de 1 mm à 2 mm, selon que l'on retient, par exemple, pour la plage de régulation de la température, une plage de 1 C ou une plage de 2 C. Cette faible course, dans le cas, selon l'invention, de cette deuxième version du dispositif de régulation à partir d'une alimentation en gaz à pression nominale fixe, conduit à une configuration de l'aiguille et à un positionnement à l'intérieur de la buse de l'injecteur différents de ceux retenus pour la première version à grande course par membrane et à variation progressive du régime par action sur la modulation de la pression en deçà de la pression nominale. Pour obtenir, en effet, le dosage de l'air aspiré par rapport au gaz injecté, pour une bonne carburation, il est impératif: 25. que les couronnes respectives de passage du gaz, entre buse et aiguille, en régime maximum et en régime minimum, soient déterminées en établissant leur valeur respective d'équivalence à deux injecteurs classiques donnant la bonne combustion recherchée, l'un au régime maximum, l'autre au régime minimum. que la pointe de l'aiguille ( 21) débouche de la sortie de la buse ( 20) de l'injecteur ( 19) à tous les régimes, y compris au régime nominal. /. En effet, contrairement aux caractéristiques de l'écou- lement du gaz dans la buse de l'injecteur, dans le cas de la première version, dans la seconde version o la pression d'alimentation ne baisse pas en même temps que l'aiguille avance dans la buse, les turbulences parasites sont trop fortes, dans un injecteur de calibre nécessairement plus fort que celui qui correspondrait au régime nominal si l'aiguille pouvait le libérer à ce régime, ce qui n'est pas le cas, pour les raisons expliquées ci-après. Effectivement, la perte de vitesse d'injection du gaz à la sortie de l'injecteur qui résulterait de ces turbulences parasites, nécessite que dans la buse de l'injecteur, et sur toute sa longueur, l' e de la partie conique de l'aiguille crée le volume creux cylindro-conique, décrit précédemment, avec la paroi intérieure de la buse de l'injecteur, et ceci aussi bien que l'aiguille soit en position de régime nominal, qu'en toute autre position de diminution de régime. Ainsi est assuré un écoulement linéaire du flux de gaz sans perte de vitesse. Les caractéristiques de l'aiguille s'établissent en fonction des paramètres suivants: a) longueur: plus longue que la longueur " hors tout de l'injecteur, filetage compris, afin que l'admis- sion de gaz ne soit pas gênée par la base de la tige à laquelle est assujettie l'aiguille et que l'aiguille débouche hors de la sortie de la buse de l'injecteur, même quand l'aiguille est complètement reculée. b) diamètre cylindrique ( 21a) de l'aiguille: calculé de telle sorte que la différence entre la section " Si " de la buse de l'injecteur et la section " Sa" de la partie cylindrique de l'aiguille donne un flux de gaz correspondant au régime ralenti du bruleur. Equation 1: Flux ( Si - Sa) = flux équivalent à celui d'un injecteur classique de ralenti correspondant. /1... 1l c) profil conique ( 21b) de l'aiguille: calculé de telle sorte que pour une course donnée du clapet de la vanne auquel l'aiguille est asservie, la différence entre la section " Si " de la buse de l'injecteur, et la section " Sb " de la partie conique de l'aiguille à l'entrée de la buse de l'injecteur et à cette posi- tion finale de la course en régime maximum, donne un flux de gaz, à la pression nominale, correspondant au régime nominal du br4leur. Equation 2: Flux ( Si - Sb) = flux équivalent à celui d'un injecteur classique de régime nominal correspondant. La résolution du système constitué par ces deux équations permet de déterminer: la section Si de la buse ( 20) de l'injecteur (19), et donc son calibre; le diamètre cylindrique ( 21a) de l'aiguille (21); la longueur de la partie conique ( 21 b) de l'ai- guille ( 21); la hauteur ( 20a) du cylindre de la buse de l'injecteur qui correspond à l'aiguille ( 21). N.B: l'ajustage de la position de l'aiguille ( 21) par rapport à la buse ( 20) de l'injecteur ( 19) peut être effectué par positionnement du tube porte-injecteur ( 18) par rapport à la vanne ( 16), soit par utilisation de cales d'épaisseur entre l'extrémité du porte-injecteur ( 18) côté filetage et le fond de la sortie taraudée ( 23) de la vanne ( 16), soit par rotation du filetage dans le taraudage et utilisation d'un produit d'étanchéité à réaction anaérobique entre ce filetage et ce taraudage. En résumé, que ce soit dans la version à modulation de la pression, ou dans la version à modulation du débit à pression nominale constante, l'écoulement des flux de gaz obtenu permet, à tous les régimes, l'aspiration adéquate de l'air comburant à l'entrée du venturi du braleur. R E V E N D I C A T IONS 1) Dispositifs pour conserver, en modulation de régime jusqu'au ralenti, une bonne carburation aux brdleurs atmosphé- riques à gaz de type " basse pression caractérisés en ce que l'injection du flux de gaz, sans rupture avec l'aspiration d'air nécessaire, est assurée, à tous les régimes de la plage de régu- lation, par des injecteurs respectifs (4) pour la version à modulation de pression du gaz, et ( 19) pour la modulation du débit du gaz à pression nominale fixe, ces injecteurs étant de type classique à calibre fixe. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'en version à modulation de la pression nominale vers le ralenti, et vice-versa, l'injecteur est traversé par une aiguil- le ( 10) qui reçoit un mouvement de translation par la mem- brane ( 8) sous l'effet de la pression dans le sens de l'aug- mentation de pression du niveau du ralenti à celui du régime nominal, et, dans le sens inverse, par l'action du ressort (12) quand la pression nominale diminue jusqu'à la pression de ralenti minimum. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'aiguille ( 10) présente un profil conique ( 10b): de longueur déterminée: par la course utile de la membrane ( 8); par la hauteur ( 4a) de la buse cylindri- que ( 4) de l'injecteur ( 3), et de telle sorte que l'aiguille libère entièrement l'entrée de la buse cylindrique ( 4) en position de régime nominal à la pression nominale. d'angle déterminé par le diamètre cylindrique (10a) de l'aiguille, de telle sorte que la couronne laissée libre entre le corps cylindrique de l'aiguille et le calibre de la buse ( 4) de l'injecteur ( 3) correspond au flux de passage de gaz du régime minimum à la pression minimum. 4) Dispositif selon la revendication 1 et 3 caractérisé par le fait que le diamètre de la buse de l'injecteur ( 3) de calibre fixe est déterminé, pour un braleur considéré,par sa puissance nominale à la pression nominale. /... ) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'ajustage du mouvement de translation, et donc la position de l'aiguille (lO) par rapport à la buse ( 4) eut être réglée par la vis ( 14) agissant sur le ressort ( 12). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'en version à modulation à pression nominale fixe du débit de gaz maximum vers le ralenti minimum, et vice-versa, l'in- jecteur ( 19) est traversé par une aiguille ( 24) qui reçoit un mouvement de translation: 10. par la poussée du corps d'un clapet ( 22) d'une vanne ( 16) à modulation de débit, quand cette translation est dans le sens de la diminution de débit; par l'action d'un ressort ( 25) quand cette trans- lation s'effectue dans le sens inverse, c'est-à-dire d'augmen- tation du débit. 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'aiguille présente un profil conique ( 21b): de longueur déterminée: par la course utile du clapet ( 22) de la vanne ( 16); par la hauteur ( 20 a) de la buse cylindrique (20) de l'injecteur ( 19) et de telle sorte que l'aiguille traverse entièrement la buse et débouche côté extérieur, à tous régimes de flux de gaz, y compris en régime nominal. d'angle déterminé par: la course utile du clapet ( 22) de la vanne (16) le diamètre de la buse ( 20) de l'injecteur (19) et l'angle du profil conique de manière à ce que: en régime nominal, la section conique (21b) de l'aiguille ( 21), au niveau de l'entrée de la buse ( 20), côté intérieur, et la section de la buse, délimitent une couronne de passage du flux de gaz correspondant au régime nominal à la pression nominale fixe. /.. en régime ralenti, la section cylindrique (21b) de l'aiguille au niveau de l'entrée de la buse ( 20), cÈté intérieur, et la section de la buse ( 20) délimite une couronne de passage du flux de gaz correspondant au régime minimum, la vanne ( 16) étant toujours alimentée à la pression nominale fixe. 8) Dispositif selon les revendications 1 et 7, caractéri- sé par le fait que le diamètre de la buse ( 20) de l'injecteur (19) de calibre fixe, peut être calculé par la résolution du système algébrique constitué par les deux équations suivantes: Flux de gaz ( Si- Sa) = flux de gaz d'un injecteur de régime ralenti équivalent Flux de gaz ( Si-Sb) = flux de gaz d'un injecteur de régime nominal équivalent. Si étant la section de la buse de l'injecteur Sa étant la section de l'aiguille à son niveau d'entrée dans la buse au régime ralenti Sb étant la section cylindrique du corps de l'aiguille 9) Dispositif suivant les revendications 3 et 7, carac- térisé par le fait que le profil conique de l'aiguille peut, si nécessaire, présenter un changement d'angle entre la pointe et la partie cylindrique. 10) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la vanne de modulation de débit comporte un pré- injecteur de ralenti ( 30) monté en dérivation, alimenté à la pression nominale et réglant le débit minimum, ce pré-injecteur étant monté " tète-bêche", l'orifice de son extrémité conique étant celle du sens d'entrée du gaz. 11il) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'étanchéité de la vanne ( 16) est assurée par une membrane ( 32).