Brevet FR2730793A1 — publié le 19960823

La présente invention est relative à un dispositif destiné à équiper les chaudières à alimentation à gaz. Elle vise plus particulièrement les brûleurs équipant les chauffe-eau, les chauffe-bains et les chaudières à gaz et qui réalisent au sein d'une chambre, la combustion naturelle ou assistée d'un prémélange constitué d'un comburant, notamment de l'air, et d'un carburant, notamment du type gaz. Le brûleur, objet de l'invention, cherche à réaliser à la fois un double objectif, d'une part, une diminution des émissions de polluants des flammes et d'autre part, une stabilisation des flammes, tout en respectant les conditions optimales physiques et mécaniques de la combustion. Ainsi, le brûleur atmosphérique dans son dimensionnement doit - garantir un écoulement et un entrainement optimal des espèces gazeuses, comburant et carburant, - diminuer les pertes de charge hydrauliques, - augmenter le taux relatif du comburant primaire. Les dispositifs de brûleurs connus comportent généralement une batterie de rampes obtenues par emboutissage d'une tôle métallique et au sommet desquelles on réalise la combustion du carburant, notamment du gaz, au sein d'un comburant, particulièrement de l'air. Néanmoins, ces agencements de brûleurs sont d'une architecture rudimentaire, telle qu'une succession de canaux rectilignes dont le profil ne favorise nullement le rendement de la combustion par l'apport d'un air secondaire au sein du mélange composé par le combustible et l'air primaire. En outre, cette disposition n'est pas optimale pour la conduite de la combustion et principalement au niveau de la stabilité de la flamme et de son homogénéité. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif de brûleur tel que l'air secondaire nécessaire à la combustion complète soit mélangé intimement, en partie ou en totalité au volume d'air présent en sortie de brûleur, celui-ci étant composé en proportion adéquate du combustible à enflammer et de l'air primaire de combustion qui lui est associé, permettant ainsi de stabiliser et d'accrocher les flammes en sortie de brûleur. A cet effet, le brûleur atmosphérique, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'il est constitué d'au moins un tube venturi, de préférence incliné, alimentant en prémélange air-gaz au moins une chambre, l'inclinaison et les dimensions du venturi étant choisies de manière à réaliser un taux d'aération d'air primaire au voisinage de la stoechiométrie et de préférence supérieur à environ 0.8 et à garantir un profil homogène de débit en sortie de brûleur. Les caractéristiques du brûleur selon l'invention, tel que défini ci-dessus, permettent d'obtenir une réduction importante des taux de NOx. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en élévation frontale et en coupe, d'un brûleur selon l'invention - la figure 2 est une vue en élévation frontale et en coupe, d'un brûleur selon une variante de l'invention - la figure 3 est une vue en perspective d'une sortie de flamme coiffant le brûleur, objet de l'invention - la figure 4 est une vue en perspective d'une variante de sortie de flamme coiffant le brûleur, objet de l'invention - la figure 5 est une vue de dessus et en coupe, d'un brûleur selon l'invention - la figure 6 est une vue en élévation latérale et en coupe, d'un brûleur selon l'invention. Selon un mode préféré de réalisation du brûleur, objet de l'invention, celui-ci comporte un tube venturi 1, obtenu par la réunion de deux demi-coquilles 2, 3 réalisées à partir de l'emboutissage d'une feuille métallique, notamment en tôle aluminée, inox réfractaire ou céramique. Le tube venturi est de forme complexe, il se décompose de la manière suivante: - en partie inférieure 4, une section annulaire convergente 5, devant être positionnée au-dessus de la nourrice d'injection, - cette section 5 est reliée à une première partie tubulaire 6, cylindrique ou faiblement conique et également convergente.Dans cet exemple de réalisation non limitatif, cette partie 6 s'étend globalement sur la demi-longueur de la partie tubulaire totale, - une deuxième partie tubulaire 7, connectée à la précédente, de longueur sensiblement égale dans cet exemple de réalisation non limitatif, conique mais divergente, et reliée, - en partie supérieure 8, à une section beaucoup plus évasée, formant chambre de mélange 9 et dont la section droite transversale est sensiblement rectangulaire. De préférence, on choisira les longueurs des différents éléments du brûleur, mesurées le long de la ligne d'écoulement du pré-mélange air-gaz selon la répartition ci-après - partie supérieure 8 (chambre de mélange 9) : 35 à 45 %, - deuxième partie tubulaire 7 : 35 à 45 %, - première partie tubulaire 6 : 5 à 25 %, - partie inférieure 4 : 5 %. La partie frontale de cette chambre de mélange est destinée à recevoir, notamment par emboîtement, de préférence relativement étanche, un couvercle 10 réalisé dans un matériau réfractaire qui pourrait être similaire à celui du tube venturi, pourvu d'orifices 11. Ce couvercle 10 constitue la sortie de flamme et présente une surface supérieure 12 dont le profil est plan selon un premier mode de réalisation, ou selon un deuxième mode de réalisation, le profil est conique ou tronconique. Selon l'invention, on utilisera de préférence une sortie de flamme de forme conique ou tronconique car elle permet d'obtenir une flamme stable, "décrochée", générant donc peu de perte de charge sur l'écoulement du mélange air-gaz et une température faible réduisant les taux de NOx. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les orifices 11 disposés uniformément sur la sortie de flamme 10 plane ou conique sont constitués de fentes 13 transversales à l'axe longitudinal de la sortie de flamme et/ou de trous 14. Selon l'invention, la configuration géométrique, la répartition, les dimensions des fentes et des trous 13, 14 sont ajustées en fonction des exigences de stabilité des flammes. La configuration d'un tube venturi 1 pourvu d'une sortie de flamme 10 conique, tronconique ou plane, telle que décrite précédemment, assure un taux d'aération d'air primaire au voisinage de la stoechiomérie et préférentiellement supérieur à environ 0.8. Le brûleur, objet de l'invention, est obtenu par la juxtaposition d'une pluralité de modules 15 composés d'au moins un tube venturi, l'assemblage étant effectué par l'intermédiaire des plans de joint 16, constitués lors de la solidarisation des deux demi-coquilles 2, 3. Ainsi, selon un mode préféré, un module 15 peut être constitué d'un tube venturi 1, ou, selon un autre mode de réalisation, de deux tubes venturi, inclinés en sens inverse, conformant un angle divergent par rapport aux orifices d'injection, positionnés en partie inférieure du brûleur. Selon une première variante (cf. figure 1), chaque module 15 simple muni d'un tube venturi conserve sa propre chambre de mélange 9 et sa propre sortie de flamme 10, plane, conique ou tronconique et selon une deuxième variante (cf. figure 2), dans une application constituée d'un module double, les deux tubes venturi 1 mettent en commun chacune de leur chambre de mélange 9 en partie supérieure et dans la zone proche de l'axe de symétrie 17 central, les sorties de flamme 10 sont également réunies de manière à conformer un couvercle unique et présentent aussi un profil plan, conique ou tronconique. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les tubes venturi 1 des modules simple ou double sont positionnés selon un angle a divergent compris entre 0 et 30 degrés, préférentiellement voisin de 150 par rapport à l'axe de symétrie 17. L'invention décrite ci-dessus offre de multiples avantages, tels que notamment l'obtention d'une flamme primaire de combustion au voisinage de la stoechiométrie dont la zone de contact avec la surface de sortie est faible et donc peu propice à l'échauffement, et d'une flamme secondaire de combustion surstoechiométrique dans laquelle est réalisée l'oxydation des produits issus de la combustion primaire. I1 demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés cidessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Ainsi, la deuxième partie tubulaire 7 du brûleur selon l'exemple de réalisation décrit ci-dessus peut être intégrée à la chambre de mélange 9, constituant ainsi une zone conique à section elliptique et surface variable. Dans ce cas, ladite zone conique à section elliptique et surface variable possède une longueur représentant 70 % de la longueur totale du brûleur, mesurée le long de la ligne d'écoulement du mélange air-gaz. REVENDICATIONS 1 - Brûleur atmosphérique pour chauffe-eau, chauffe-bain et pour chaudière à gaz, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un tube venturi (1), de préférence incliné, alimentant en pré-mélange air-gaz au moins une chambre (9), l'inclinaison et les dimensions du venturi étant choisies de manière à réaliser un taux d'aération d'air primaire au voisinage de la stoechiomérie et de préférence supérieur à environ 0.8 et à garantir un profil homogène de débit en sortie de brûleur. 2 - Brûleur atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube venturi (1) comporte - en partie inférieure (4), une section annulaire (5) convergente, devant être positionnée au-dessus de la nourrice d'injection, - cette section (5) est reliée à une première partie tubulaire (6), cylindrique ou faiblement conique et également convergente, - une deuxième partie tubulaire (7), connectée à la précédente, conique mais divergente, et reliée, - en partie supérieure (8), à une section beaucoup plus évasée, formant chambre de mélange (9) et dont la section droite transversale est sensiblement rectangulaire. 3 - Brûleur atmosphérique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on choisit les longueurs des différents éléments du brûleur, selon la ligne d'écoulement du pré-mélange air-gaz selon la répartition ci-après - partie supérieure 8 (chambre de mélange 9) : 35 à 45 %, - deuxième partie tubulaire 7 : 35 à 45 %, - première partie tubulaire 6 : 5 à 25 %, - partie inférieure 4 : 5 %. 4 - Brûleur atmosphérique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite deuxième partie tubulaire (7) est intégrée à la chambre de mélange (9), constituant ainsi une zone conique à section elliptique et surface variable. 5 - Brûleur atmosphérique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite zone conique à section elliptique et surface variable possède une longueur représentant 70 % de la longueur totale du brûleur, mesurée le long de la ligne d'écoulement du mélange air-gaz. 6 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie frontale de la chambre de mélange est destinée à recevoir, notamment par emboîtement un couvercle (10) pourvu d'orifices (11), conformant la sortie de flamme. 7 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (10) présente une surface supérieure dont le profil est plan. 8 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (10) présente une surface supérieure dont le profil est conique ou tronconique. 9 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (10) plane, conique ou tronconique est constituée de fentes transversales (13) à l'axe longitudinal de la sortie de flamme (10) et/ou de trous (14). 10 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'on ajuste la configuration géométrique, la répartition et les dimensions des fentes (13) et des trous (14) en fonction des exigences de la stabilité de la flamme. 11 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est obtenu par la juxtaposition d'une pluralité de modules (15) composés d'au moins un tube venturi (1), l'assemblage étant effectué par l'intermédiaire des plans de joint (16), constitués lors de la solidarisation de deux demi- coquilles (2, 3). 12 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un module comporte deux tubes venturi, inclinés en sens inverse, conformant un angle a divergent par rapport aux orifices d'injection, positionnés en partie inférieure du brûleur. 13 - Brûleur atmosphérique selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque module (15) simple muni d'un tube venturi (1) conserve sa propre chambre de mélange et sa propre sortie de flamme, plane, conique ou tronconique. 14 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans une application constituée d'un assemblage de modules double, les deux tubes venturi (1) mettent en commun chacune de leur chambre de mélange (9) en partie supérieure et dans la zone proche de l'axe de symétrie (17) central, les sorties de flamme (10) étant éventuellement réunies de manière à former un couvercle unique et présentant un profil plan, conique ou tronconique. 15 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes venturi (1) des modules (15) simple ou double sont positionnés selon un angle divergent a compris entre 0 et 30 , et préférentiellement voisin de 15 par rapport à l'axe de symétrie (17).