Brevet FR2935463A1 — publié le 20100305

Domaine de l'invention La présente invention concerne une chaudière à gaz à brûleur alimenté par un ventilateur en mélange combustible air/gaz, fourni par une chambre de mélange, munie d'une alimentation en air et d'une alimentation dosée en gaz à partir d'un bloc-gaz relié à l'arrivée de gaz par l'intermédiaire d'une vanne de gaz et d'un clapet de modulation commandé par une membrane exposée sur une face, à la pression de gaz et sur l'autre, à la pression de l'air atmosphérique. Etat de la technique Les chaudières à gaz utilisent de plus en plus le principe de la condensation, de manière à refroidir davantage les fumées pour récupérer la chaleur latente de vaporisation de la vapeur d'eau et d'augmenter ainsi le rendement. Pratiquement tous les brûleurs de ces chaudières sont alimentés par un prémélange complet, c'est-à-dire un mélange combusti- ble de gaz et d'air. Ce mélange est poussé par un ventilateur vers le brûleur. En sortie de brûleur, les produits de combustion sont refroidis dans un échangeur de chaleur pour être ensuite évacués à l'extérieur des locaux par un conduit de sortie de fumées. Or, ce conduit peut être de grande longueur (par exemple supérieur à 20 mètres) et être vertical prati- quement sur toute sa longueur. Il se pose le problème du démarrage à froid d'une telle chaudière avant que la température n'augmente et ne crée un régime de convection dans le conduit de fumées. En effet, la colonne d'air, verticale, se comporte comme une résistance aéraulique, s'opposant à l'extraction des fumées. Cette colonne d'air fonctionne en quelque sorte comme un ressort vis-à-vis de la poussée brutale exercée par le ventilateur. Il apparaît ainsi dans certaines conditions, des phénomènes de résonance à bas-ses fréquences (par exemple des fréquences comprises entre 2 et 15 HZ) au moment du démarrage de la chaudière. Ces phénomènes de résonance peuvent, occasionner des nuisances sonores et, dans les cas les plus défavorables, entraîner en plus le un soufflage de la flamme qui met la chaudière en sécurité. Ce problème est d'autant plus accentué que la longueur du conduit de fumées est grande et que l'air est froid dans le conduit de fu- mées au moment du démarrage ; la difficulté est accentuée dans le cas d'un conduit extérieur à l'habitation et par l'interaction avec le système de régulation du débit de gaz en fonction du débit d'air entraîné par le ventilateur de type pneumatique, le plus fréquent dans ces chaudières. 2 Au moment d'un démarrage à froid de la chaudière et en cas de grande longueur verticale des conduits de sortie de fumées, on a une onde de retour de pression qui revient à travers le brûleur, le ventilateur, la chambre de mélange jusqu'à la sortie du bloc-gaz et agit sur le clapet de modulation. Cette onde de pression appliquée sur la membrane du clapet de modulation, ferme le clapet et réduit, voire coupe, le débit de gaz. Il peut en résulter l'extinction de la flamme du brûleur et la coupure du courant d'ionisation Ce processus d'allumage peut se répéter en vain plusieurs io fois pour que finalement la chaudière passe en sécurité. Il est connu de remédier à cette difficulté en supprimant l'interaction de résonance entre le point d'injection du gaz dans le brûleur et la flamme car ce décalage combiné à la vitesse d'écoulement du mélange air/gaz, crée un déphasage entre la pression au niveau de l'injection 15 et celle au niveau de la flamme. Pour compenser ou éliminer cette résonance, on augmente la distance entre le point d'injection du gaz et la flamme pour que le point d'injection se trouve sur un noeud de vibration de la sinusoïde de pression et non sur la partie ventre de la vibration, de façon à ne pas perturber le débit d'alimentation, ou on augmente le débit 20 air/gaz pour avoir une vitesse d'écoulement plus grande et réduire le délai de retard ou encore on combine les deux solutions à la fois : - augmenter la distance entre le point d'injection et la flamme se traduit par l'augmentation du volume du sous-ensemble d'alimentation de la chaudière. Il en résulte une chaudière murale individuelle qui 25 est pénalisée à cause de ses dimensions, - augmenter le débit air/gaz est une solution limitée par souci d'explosion à l'allumage à chaud et non à froid. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une chau- 30 dière à gaz évitant les pulsations de la flamme au démarrage à froid sans avoir à augmenter les dimensions de la chaudière ni à créer un risque en augmentant le débit de gaz. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention concerne une chaudière à 35 gaz du type défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'une liaison de transmission de l'onde de pression AP reliant la conduite du mélange air/gaz en aval du point de mélange à la prise d'air du clapet de modulation. 3 Comme la membrane du clapet de modulation reçoit sur ses deux faces, l'onde de pression, elle reste neutre vis-à-vis de cette onde de pression de sorte que l'alimentation en gaz du brûleur reste inchangée. Comme ce système ne transmet que l'onde de pression et non pas la pres- Sion elle-même, en l'absence d'onde de pression en régime permanent, le système fonctionne normalement et de façon habituelle et lorsqu'au démarrage à froid, il y a une onde de pression celle-ci est neutralisée de sorte que là encore, la membrane n'est soumise qu'à la différence de pression du gaz et de la pression atmosphérique. La liaison de transmission de l'onde de pression n'augmente pas l'encombrement de l'installation ni ne nécessite de transformations fondamentales de celle-ci. De façon particulièrement avantageuse, la liaison de transmission d'onde de pression se compose d'un tube de faible section reliant la conduite du mélange air/gaz en aval du point de mélange à un point situé à l'entrée de la prise d'air du clapet de modulation sans fermer cette prise d'air (distance e) ou encore la liaison de transmission d'onde de pression se compose d'un tube de faible section reliant la conduite du mélange air/gaz en aval du point de mélange à un point situé à l'entrée de la prise d'air du clapet de modulation en laissant un intervalle par rapport à la conduite de mélange air/gaz. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le tube de transmission de l'onde de pression AP est un tube souple. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'entrée du tube constituant la liaison de transmission d'onde de pression est fixée à un ajutage réalisé à la sortie de la tuyère de la chambre de mélange, en aval du point de mélange. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la sortie du tube constituant la liaison de transmission d'onde de pression est reliée à un dispositif de fixation qui positionne de manière précise, la sortie par rapport à l'orifice de prise de pression du tube de prise d'air (pression atmosphérique) du clapet de modulation. Ainsi, le tube assurant la transmission de l'onde de pres- sion est fixé de manière simple à l'installation et surtout de façon précise par rapport à l'orifice de prise de pression du tube de prise d'air ou de pression atmosphérique pour que, d'une part, l'onde de pression soit transmise de façon fiable et efficace à la membrane du clapet de modula- 4 tion et que, d'autre part, en régime permanent, l'orifice de prise de pression ne reçoit que la pression atmosphérique. Ainsi, globalement, la chaudière selon l'invention a l'avantage de permettre un démarrage rapide et en sécurité, sans contraintes particulières pour le débit de gaz d'allumage. Cette chaudière n'a pas d'encombrement augmenté par rapport aux chaudières anciennes ; elle est particulièrement sûre et son développement rapide et facile. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de chaudière selon l'invention, représentée dans l'unique figure qui est un schéma très simplifié d'une chaudière à condensation, alimentée par un ventilateur pulsant le mélange air/gaz. Description d'un mode de réalisation Selon la figure, l'invention concerne une chaudière à gaz re- présentée très schématiquement par les parties essentielles concernant l'invention, à savoir une chambre de mélange 100 alimentée en air extérieur (flèche A) et en gaz fourni par un bloc-gaz 200. Cette chambre de mélange 100 alimente en un mélange air/gaz, le brûleur 160 par l'intermédiaire d'un ventilateur 150. Le brûleur 160 dégage la chaleur et évacue les fumées par un conduit de fumées 170. La chambre de mélange 100 a, par exemple, une structure de tuyère 110 formant un col 111 avec, côté amont, l'arrivée d'air 120 et, côté aval, le branchement 130 vers le ventilateur 150. Dans la chambre de mélange 100, le combustible est réalisé par la tuyère 110 avec, au niveau de son col 111, des orifices 112 d'arrivée de gaz, alimentés par le conduit de gaz 260 venant du bloc-gaz 200. Le bloc-gaz 200 se compose des moyens d'alimentation et de régulation du débit de gaz fourni à la chambre de mélange 100. La chambre de mélange peut aussi être un volume vide dont la géométrie vis-à-vis des orifices 112 d'amenée du gaz et 120 d'arrivée d'air, garantit la bonne ho- mogénéité du combustible. Le bloc-gaz 200 ou son équivalent est un ensemble de moyens assurant l'alimentation en gaz et la sécurité de cette alimentation. Ces différents moyens, principalement constitués par la vanne de gaz et le clapet de modulation, sont, de préférence, regroupés en un ensemble qui se branche sur l'arrivée de gaz et dont la sortie est reliée à la chambre de mélange. Le bloc-gaz 200 est relié à une arrivée de gaz 210 (flèche G) commandée par une électrovanne de gaz 220 qui ouvre ou ferme le pas- sage du gaz vers une chambre intermédiaire 230 reliée à la chambre de mélange 100 par un clapet de modulation 240 commandé par sa membrane 241 reliée au clapet 240 par une tige 242 coopérant avec un électroaimant 243 pour en assurer l'ouverture. Ensuite, la commande de 5 l'équipage formé du clapet 240, de la tige de liaison 242 et de la membrane 241 se fait en fonction de la différence des pressions appliquée à la membrane 241 qui divise la chambre de sortie 250 dans laquelle débouche la chambre intermédiaire 230 en deux parties 251, 252. : - une partie 251 recevant le gaz et reliée par la conduite 260 à la 10 chambre de mélange 100, - une partie 252 reliée à l'atmosphère extérieure par une prisse d'air 253 en forme de tube avec un orifice libre 254. La conduite de gaz 260 est munie d'un volet de réglage 261 et elle débouche dans une couronne de distribution autour du 15 col 111 de la tuyère 110 pour alimenter les orifices 112 ou débouche directement dans la chambre de mélange par un orifice 112 lorsque cette dernière ne comporte pas de tuyère. Ainsi, la face de la membrane 241 du côté de la partie 251 de la chambre est exposée à la pression du gaz et l'autre face de la mem-20 brane 241 reçoit la pression atmosphérique. La sortie de la chambre de mélange 100 ou, du moins, un point en aval de la zone de mélange 110 du gaz et de l'air est reliée à l'orifice 254 de prise de pression atmosphérique par une liaison de transmission d'onde de pression 270. Cette liaison 270 est constituée par un 25 tube de très faible section, notamment un tube souple, dont l'entrée 271 est située dans la conduite de sortie 130 de la chambre de mélange ou, selon le cas, dans la chambre de mélange 100 mais en aval de la zone de mélange 110. L'autre extrémité 272 du tube 270 arrive au niveau de la prise de pression atmosphérique 252 du bloc-gaz 200. 30 Selon le mode de réalisation représenté, l'extrémité d'entrée 271 du tube 270 est fixée à un ajutage 113 dans la chambre de mélange 200 en sortie de la zone de mélange. L'autre extrémité 272 du tube 270 est reliée à un dispositif de fixation 273 qui maintient l'extrémité 272, c'est-à-dire la sortie du tube 270 dans une position pré- 35 cise par rapport à l'orifice de prise de pression atmosphérique 254 du tube 253. Ce dispositif de fixation 273 est, par exemple, porté par le bloc-gaz. 6 Cette liaison 270 ne transmet que l'onde de pression AP et non la pression permanent. L'extrémité de sortie 272 du tube de transmission 270 laisse libre l'entrée 254 du tube de prise de pression atmosphérique 253. Pour cela, la sortie 272 du petit tube 270 est située en face de l'entrée 254 en laissant un intervalle (e), par exemple de l'ordre de 10 à 15 mm. Mais le tube 270 de très faible section ne perturbe pas la composition du mélange combustible gaz/air car le débit d'air aspiré en continu par le tube 270 à cause de la dépression créée par le ventilateur 150 est très faible. Cet intervalle (e) peut se situer indifféremment au voisinage du dispositif de réglage du débit gaz ou au voisinage de la chambre de mélange, c'est-à-dire à un bout ou l'autre du tube de liaison. La liaison de transmission 270, 271, 272 transmet ainsi l'onde de pression AP qui est aussi transmise en parallèle par la conduite d'alimentation en gaz 260 pour arriver sur les deux faces de la membrane 241 qui reste à l'équilibre et n'est pas influencée par cette brusque variation de pression. Elle fonctionne normalement et module le débit de gaz sans le couper ; cela permet la poursuite du démarrage à froid de la chaudière. Pour comprendre le fonctionnement du bloc-gaz et de la solution portée par l'invention, il est utile de décomposer ce fonctionnement en plusieurs phases : 1- Dans une première phase, l'électrovanne de gaz 220 est coupée de l'alimentation 210. Cette vanne de gaz qui est une vanne de sécurité est alors fermée. La pression d'alimentation du gaz règne ainsi seule-ment en amont de la vanne de gaz 220. En aval, dans la chambre intermédiaire ou dans la chambre de sortie, il règne le cas échéant la pression atmosphérique. 2- Dans une seconde phase, le ventilateur 150 démarre mais l'électrovanne 220 est toujours fermée de même que le clapet 240. Le ventilateur 150 aspire de l'air à travers la chambre de mélange 100 de sorte que, par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation en gaz 260 reliée à la chambre de mélange, il règne en aval de la vanne de gaz 220 dans le bloc-gaz 200 la même pression que dans la chambre de mé- lange 100. Cette pression est en fait une dépression par rapport à la pression atmosphérique puisqu'elle est générée par l'aspiration du ventilateur 150. 7 3- Dans une troisième phase, on commande l'électrovanne de gaz 220 et le clapet de modulation 240 de façon à les ouvrir. Le gaz passe alors de la conduite d'arrivée 210 dans la chambre intermédiaire 230 puis dans la chambre de sortie 251 à travers la vanne 220 et le clapet de modu- lation 240. Comme les deux côtés de la membrane 241 du clapet de modulation 240 sont soumis, l'un à la pression régnant dans la chambre de mélange 260 et l'autre à la pression atmosphérique, la membrane est soumise à cette différence de pression ; en fonction de l'aspiration créée par le ventilateur, la dépression par rapport à la pression atmosphérique augmente ce qui ouvre d'autant le clapet de modulation. Le débit en gaz fourni à la chambre de mélange est ainsi lié au débit d'air. Mais ce régime permanent n'est pas influencé par une onde de pression AP descendant du conduit de fumées 170 et traversant le brû- leur 160, le ventilateur 150 et la chambre de mélange 100 pour être détectée par la liaison d'onde de pression 270 qui transmet cette onde de pression AP à l'entrée de la prise d'air, c'est-à-dire de la prise de pression atmosphérique 253 du clapet de modulation 240, 41.20 REVENDICATIONS1 °) Chaudière à gaz à brûleur alimenté par un ventilateur (150) en mélange combustible air/gaz, fourni par une chambre de mélange (100), mu-nie d'une alimentation en air (120) et d'une alimentation dosée en gaz (260) à partir d'un bloc-gaz (200) relié à l'arrivée de gaz (210) par l'intermédiaire d'une vanne de gaz (220) et d'un clapet de modulation (240) commandé par une membrane (241) exposée sur une face, à la pression de gaz et sur l'autre, à la pression de l'air atmosphérique, caractérisée par une liaison de transmission (270) de l'onde de pression AP reliant la conduite du mélange air/gaz (130) en aval du point de mélange (110, 111) à la prise d'air (253, 254) du clapet de modulation. 2°) Chaudière à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison de transmission d'onde de pression (270) se compose d'un tube de faible section reliant la conduite du mélange air/gaz (130) en aval du point de mélange (110) à un point situé à l'entrée de la prise d'air (253, 254) du clapet de modulation (240, 241) sans fermer cette prise d'air (distance e). 3°) Chaudière à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison de transmission d'onde de pression (270) se compose d'un tube de faible section reliant la conduite du mélange air/gaz (130) en aval du point de mélange (110) à un point situé à l'entrée de la prise d'air (253, 254) du clapet de modulation (240, 241) en laissant un intervalle par rapport à la conduite de mélange air/gaz (130). 4°) Chaudière à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube (270) de transmission de l'onde de pression AP est un tube souple. 5°) Chaudière à gaz selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'entrée du tube constituant la liaison de transmission d'onde de pression (270) est fixée à un ajutage (113) réalisé à la sortie de la chambre de mélange (100), en aval du point de mélange (111).6°) Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce que la sortie (272) du tube (270) constituant la liaison de transmission d'onde de pression est reliée à un dispositif de fixation (273) qui positionne de manière précise, la sortie (272) par rapport à l'orifice de prise de pression (254) du tube (253) de prise d'air (pression atmosphérique) (253, 254) du clapet de modulation. lo