Brevet FR2740202A1 — publié le 19970425

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 pré- mélange 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. Il vise également à être de conception modulaire de façon à pouvoir optimiser du point de vue économique les couples - encombrement/puissance - et - charge calorifique/émission de polluants -. Ainsi, le brûleur atmosphérique dans son dimensionnement doit: - garantir un écoulement et un entraînement optimal des espèces gazeuses, comburant et carburant, en particulier en garantissant une bonne homogénéité du mélange air/gaz et de la vitesse de sortie sur toute la surface de la sortie de flamme; diminuer la température de flamme, directement liée à la formation d'oxydes d'azote, d'une part en minimisant les pertes de charges hydrauliques, ce qui favorise l'entralnement d'air, et d'autre part en faisant en sorte que le corps du bec serve de radiateur thermique pour la sortie de flamme afin que cette dernière s'échauffe aussi peu que possible. La forme et l'encombrement réduit du bec demandent pour une même puissance globale délivrée d'augmenter le nombre de becs et donc le nombre de points d'injection d'air primaire. Ils permettent en outre d'élaborer des brûleurs de puissance variable à partir d'un assemblage par juxtaposition de différentes batteries de becs de brûleurs placées en parallèle ou en quinconce. Les becs de brûleurs ainsi conçus disposent par ailleurs d'orifices reliés entre eux par un réseau de conduits qui rendent possible une circulation d'un fluide caloporteur pour le refroidissement de l'ensemble. 2 2740202 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, les agencements de brûleurs ne sont pas optimaux pour la conduite de la combustion, principalement au niveau de la stabilité de la flamme et de son homogénéité. Ils obligent en outre le plus souvent à travailler avec un taux d'air primaire faible bien inférieur au taux correspondant à la stoechiométrie. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif de brûleur tel que l'air secondaire arrive d'une façon qui minimise le temps nécessaire à la combustion complète du mélange gazeux présent en sortie du brûleur, ce mélange étant composé en proportion adéquate d'un combustible à enflammer et d'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, alimentant en pré-mélange air-gaz au moins une chambre qui est recouverte par une sortie de flamme à profil arrondi, ladite chambre disposant en outre d'une zone de pincement entre la sortie de flamme et le tube venturi. Les caractéristiques du brûleur selon l'invention, tel que défini cidessus, 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 perspective et en éclaté, du brûleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en élévation frontale et en coupe, d'une sortie de flamme équipant le brûleur selon l'invention; 3 2740202 - la figure 3 est une vue en élévation latérale et en coupe, du brûleur, objet de l'invention; - la figure 4 est une vue, en élévation latérale et en coupe, de l'assemblage d'une pluralité de brûleurs; - la figure 5 est une vue en perspective de l'assemblage d'une pluralité de brûleurs selon un premier mode de réalisation; - la figure 6 est une vue en perspective de l'assemblage d'une pluralité de brûleurs selon un deuxième mode de réalisation. 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 demicoquilles 2, 3 réalisées à partir de l'emboutissage d'une feuille métallique dont le coefficient de conduction thermique sera adapté au flux thermique qu'il est nécessaire d'évacuer pour avoir un refroidissement de la sortie de flamme en accord avec le taux de NOx recherché. Ainsi, pourra être employé selon le cas, du cuivre, de l'aluminium, de la tôle aluminée ou de l'acier inoxydable. Le tube venturi est de forme complexe, il se décompose de la manière suivante: - en partie inférieure 4, une section annulaire 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. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, cette partie 6 s'étend globalement sur un tiers de la demi- longueur de la partie tubulaire totale. Cette partie tubulaire a un diamètre dimensionné en fonction de la charge nominale d'utilisation du bec, préférentiellement selon un ratio supérieur ou égal à 15 mm/kW. - une deuxième partie tubulaire 7, connectée à la précédente 6, 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 et présente également entre cette zone frontale et la zone de connexion avec 4 2740202 la partie tubulaire 7, une zone de pincement 10, selon un plan tranversal, de profil sensiblement ovoïde simple ou complexe. 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, par glissière, de préférence relativement étanche, un couvercle 11 réalisé dans un matériau compatible avec la proximité de la flamme, par exemple en acier inoxydable, et pourvu d'orifices 12. Ce couvercle 11 constitue la sortie de flamme et présente une surface supérieure dont le profil est arrondi. Selon l'invention, on utilisera de préférence une sortie de flamme de forme cylindrique 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, de par le faible échange thermique entre une flamme "décrochée" et la surface supérieure du bec. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les orifices 12 disposés uniformément sur la sortie de flamme 11 cylindrique sont constitués de fentes 13 transversales à l'axe longitudinal de la sortie de flamme. Préférentiellement, la sortie de flamme cylindrique présente en son sommet une bande de matière 14 afin de séparer les fentes en deux selon un quadrant. Selon l'invention, la configuration géométrique, la répartition, les dimensions des fentes 13 sont ajustées en fonction des exigences de stabilité des flammes et de la puissance surfacique recherchée. La sortie de flamme dispose au niveau de ses zones de contact avec le tube venturi de parois latérales 15 permettant un emboîtement selon l'intérieur ou selon l'extérieur de la paroi du tube venturi, ces parois 15 selon un deuxième mode de réalisation peuvent étre pliées afin de conformer des glissières. 2740202 Avantageusement, les extrémités 16 des parois latérales 15 de la sortie de flamme 11, dans un mode de montage par emboîtement, présentent une découpe 16, de manière à réaliser des pattes flexibles 17; ces dernières permettent à la fois d'améliorer la tenue mécanique de l'assemblage, et l'échange des calories avec le milieu environnant. La qualité du contact thermique entre la sortie de flamme et le corps du bec, sera compatible avec le flux thermique à évacuer. Par exemple, en cas de flux maximum, donc de taux de NOx le plus faible, le corps du bec étant en cuivre, la sortie de flamme pourra être en acier inoxydable étamé de façon à ce qu'en cours de fonctionnement, la pellicule d'étain assure un brasage continu et homogène entre la sortie de flamme et le bec de brûleur. L'utilisation de l'étain n'est donnée qu'à titre d'exemple, et cette qualité de liaison thermique qui apparaît de façon autonome lorsque le brûleur fonctionne, c'est-à-dire en simplifiant au maximum le processus d'assemblage en fabrication, peut être obtenue avec toute autre brasure compatible avec le cuivre et l'acier inoxydable et dont le point de fusion est inférieur à la température atteinte par la sortie de flamme lorsque le brûleur fonctionne. Elle peut être obtenue également avec des alliages à point de fusion plus élevé, mais cela complique le mode de fabrication des becs de brûleur. La configuration d'un tube venturi 1 pourvu d'une sortie de flamme 11 cylindrique, telle que décrite précédemment, assure un taux d'aération d'air primaire, préférentiellement légèrement supérieur à celui correspondant à un mélange stoechiométrique. Le brûleur, objet de l'invention, est obtenu par la juxtaposition d'une pluralité de modules composés d'au moins un tube venturi, l'assemblage étant effectué par l'intermédiaire des plans de joint 18, constitués lors de la solidarisation des deux demi-coquilles 2, 3. Selon une première variante, chaque module simple muni d'un tube venturi conserve sa propre chambre de mélange 9 et sa propre sortie de flamme 11, et selon une deuxième variante (non représentée), 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 6 2740202 proche de l'axe de symétrie central, les sorties de flamme 11 sont également réunies de manière à conformer un couvercle unique et présentent aussi un profil arrondi. Les demi-coquilles disposent d'une pluralité d'orifices 19 venus lors de l'opération d'emboutissage, ces orifices coopèrent entre eux lors de la juxtaposition de deux demi-coquilles 2-3 en module. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, elle autorise l'élaboration de brûleurs obtenus par l'association d'une pluralité de modules, ceux-ci étant disposés en une succession de rangées parallèles de tubes alignés et/ou en quinconce. Pour améliorer la tenue mécanique de l'ensemble, on dispose des conduits 20 dans les différents orifices 19 en regard. En fonction des régimes d'utilisation, on rétablit une circulation de fluide caloporteur au sein de ces conduits. 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 sur- stoechiométrique dans laquelle est réalisée l'oxydation des produits issus de la combustion primaire. L'assemblage d'une pluralité de brûleurs selon l'invention permet à l'utilisateur une souplesse de fonctionnement, car il peut, pour un même volume utile, choisir et assembler le nombre de brûleurs, en fonction de la puissance de chauffe demandée. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci- dessus, 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. 7 2740202 REVENDICATIONS 1 - Brûleur atmosphérique, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un tube venturi (1), alimentant en pré- mélange air-gaz au moins une chambre (9) qui est recouverte par une sortie de flamme (11) à profil arrondi, ladite chambre disposant en outre d'une zone de pincement (10) entre la sortie de flamme et le tube venturi (1). 2 - Brûleur atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de pincement (10) présente un profil ovoïde simple ou complexe. 3 - Brûleur atmosphérique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie de flamme (11) comporte une pluralité d'orifices (12) disposés uniformément et qui sont constitués de fentes (13) transversales à l'axe longitudinal de la sortie de flamme. 4 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (11) présente à son sommet une bande de matière (14) afin de séparer les fentes en deux selon un quadrant, ces dernières étant ajustées en fonction des exigences de stabilité des flammes. - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (11) dispose au niveau de ses zones de contact avec le tube venturi (1) de parois latérales (15) permettant un emboîtement selon l'intérieur ou selon l'extérieur de la paroi du tube venturi. 6 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois (15) sont pliées afin de conformer des glissières. 7 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités des parois latérales (15) de la sortie de flamme (11), présentent une découpe (16), de manière à réaliser des pattes flexibles (17). 8 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps du 8 2740202 brûleur est réalisé dans un matériau qui permet de favoriser l'évacuation du flux thermique et d'atteindre des taux de NOx faibles, tel que notamment en cuivre et/ou aluminium 9 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme est en acier inoxydable revêtu, la température de fusion de l'alliage ou du métal utilisé pour le revêtement de l'acier inoxydable étant choisie de manière à ce que puisse se former automatiquement, au cours du fonctionnement du brûleur, une liaison continue et homogène par brasage entre la sortie de flamme (11) et le bec du brûleur. - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (1) est obtenu par l'assemblage de deux demi-coquilles (2, 3) et conforme un module, ces dernières disposant d'une pluralité d'orifices (19), ces orifices coopérant entre eux lors de l'assemblage des deux demi-coquilles (2, 3). 11 - Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules, ceux-ci étant disposés en une succession de rangées parallèles de tubes (1) alignés et/ou en quinconce, ledit brûleur étant muni de conduits (20) disposés au travers des orifices (19) en regard.