Brevet FR2958370A1 — publié le 20111007

PROCEDE DE PRODUCTION DE FLAMME PAR UN BRULEUR ET BRULEUR METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE La présente invention concerne un procédé de production de flamme par un brûleur, ainsi qu'un brûleur mettant en oeuvre un tel procédé. Dans le domaine du chauffage de bâtiments, de la production d'eau chaude ou de chaleur en général, il est courant d'utiliser des brûleurs à gaz, à fioul, ou d'autres sources de chaleur. Le gaz utilisé est généralement un gaz de ville, tel que du propane ou du butane. La consommation et le pouvoir calorifique de ce genre d'installation ne donnent pas entière satisfaction. L'utilisation de l'hydrogène permet d'obtenir un rendement bien supérieur au gaz de type hydrocarbure ou au fioul, mais la production d'hydrogène est coûteuse et compliquée. Le stockage de l'hydrogène pose également un problème particulièrement important du fait de sa dangerosité. L'hydrogène peut provoquer des explosions violentes s'il est soumis à une très faible étincelle. De plus, l'hydrogène peut exploser au contact de l'oxygène de l'air. C'est à ces inconvénients qu'entend remédier l'invention en proposant un nouveau procédé de production de flamme permettant d'utiliser le haut rendement de la combustion de l'hydrogène, tout en préservant la sécurité des personnes et des installations. A cet effet, l'invention concerne un procédé de production de flamme par un brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) amener un fluide inflammable dans une chambre de réaction bordée par une couche de matériau formée par un lacis de fils métalliques ou par un élément poreux ; b) initier la combustion du fluide inflammable ; c) maintenir la combustion jusqu'à ce que la couche de matériau atteigne une température supérieure ou égale à 700 °C ; d) amener une quantité d'eau liquide dans la couche de matériau chauffée. Grâce à l'invention, le gaz utilisé pour la combustion est du dihydrogène produit grâce à une réaction de craquage de l'eau sur la couche de matériau chauffée. Aucune fabrication préalable d'hydrogène n'est nécessitée. Aucune quantité d'hydrogène n'est stockée à proximité du brûleur ou acheminée au niveau de la chambre de réaction. Les produits dégagés par les réactions de craquage de l'eau et de combustion du dihydrogène produisent des gaz plus propres que ceux dégagés par les combustions d'hydrocarbures ayant des conséquences moins néfastes sur l'environnement. Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé de production de flamme peut incorporer une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises avec toutes les combinaisons techniquement admissibles : - L'eau est amenée dans la couche de matériau chauffée par un tuyau. - L'eau est entraînée vers la couche de matériau chauffée par effet aéraulique. - Le procédé de production de flamme comporte, avant l'étape d), une étape supplémentaire consistant à : e) filtrer l'eau et/ou dissoudre un composé dans l'eau. L'invention concerne également un brûleur comprenant une chambre de réaction comportant au moins une extrémité ouverte, et un conduit d'amenée de fluide inflammable dans la chambre. Ce brûleur est caractérisé en ce qu'il comprend en outre : un lacis de fils ou un élément poreux en matériau résistant à une température supérieure à 1200 °C, s'étendant sur la section transversale de la chambre, en regard du débouché du conduit d'amenée de fluide, au voisinage d'une extrémité ouverte de la chambre opposée au conduit d'amenée de fluide, et un conduit d'amenée d'eau à l'état liquide vers le lacis ou l'élément poreux. Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention, un tel brûleur peut incorporer une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises avec toutes les combinaisons techniquement admissibles : - La position du débouché du conduit d'amenée de fluide par rapport au lacis ou à l'élément poreux est réglable selon un axe longitudinal de la chambre de réaction. - Le conduit d'amenée d'eau est adapté pour expulser l'eau en regard du débouché du conduit d'amenée de fluide, perpendiculairement au conduit d'amenée de fluide. - Le conduit d'amenée de fluide comporte, au voisinage de son débouché, une zone de réception de l'eau expulsée du conduit d'amenée d'eau. - L'extrémité de la chambre opposée au lacis ou à l'élément poreux est ouverte à la circulation de l'air. - L'extrémité de la chambre opposée au lacis ou à l'élément poreux est fermée à la circulation de l'air. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un procédé de production de flamme et de trois brûleurs conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe transversale d'un brûleur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, pour un brûleur conforme à un deuxième mode de réalisation ; la figure 3 est une figure analogue à la figure 1, pour un brûleur conforme à un troisième mode de réalisation. Comme représenté sur la figure 1, un brûleur 2 sert à produire une flamme afin de générer de l'énergie calorifique. Un tel brûleur peut être notamment utilisé dans le cadre d'une installation de production d'eau chaude pour un chauffage collectif ou une salle de bains. Dans le cadre d'une telle utilisation, la flamme produite est généralement dirigée vers un réseau de tuyaux dans lequel l'eau circule. Le brûleur 2 comprend une partie tubulaire 4 dont les deux extrémités 42 et 44 sont ouvertes. La surface extérieure de la partie tubulaire 4 est pourvue, au voisinage de l'extrémité 44, d'un filetage 46. Un manchon tubulaire 6, dont la surface interne 62 est pourvue, au voisinage d'une l'extrémité 64, d'un taraudage 66, est vissé sur le filetage 46 de la partie tubulaire 4. On note X-X' l'axe longitudinal commun à la partie tubulaire 4 et au manchon tubulaire 6 et passant par le centre de leurs sections transversales respectives. Les volumes intérieurs adjacents de la partie tubulaire 4 et du manchon tubulaire 6 constituent une chambre de réaction 100, s'étendant entre l'extrémité 42 de la partie tubulaire 4 et une extrémité 68 du manchon tubulaire 6, à l'opposé de l'extrémité 64. La partie de la chambre 100, s'étendant entre l'extrémité 44 de la partie tubulaire 4 et l'extrémité 68 du manchon tubulaire 6, contient un lacis 80 de fils métalliques, un lacis étant défini comme un réseau de fils entrecroisés. Ce lacis 80 s'étend sous la forme d'une couche de matériau sur sensiblement toute la section transversale du manchon tubulaire 6. Ce lacis 80 peut adopter sensiblement la forme d'un cylindre à section circulaire. Le lacis 80 est constitué de mailles de taille variable dans les trois dimensions de l'espace. La taille des mailles doit permettre le passage de l'air, de fluides inflammables et de gaz brûlés. La taille des mailles peut varier en fonction de la puissance du brûleur. Les mailles du lacis 80 ne sont pas nécessairement de formes régulières. En pratique, le lacis 80 est constitué d'un réseau de fils métalliques entrelacés aléatoirement, de manière semblable à la paille de fer. Le lacis 80 est de préférence constitué d'un matériau métallique pouvant conserver ses propriétés mécaniques au-delà d'une température de 1200 °C. En particulier, le lacis 80 doit pouvoir être porté à incandescence sans fondre, et posséder une conductivité thermique élevée. La densité des mailles du lacis 80 est suffisamment élevée pour induire une rapide montée en température par conduction. Un conduit d'amenée de gaz 110 entre dans la chambre 100 par l'extrémité 42 de la partie tubulaire 4. Ce conduit est dirigé selon l'axe X-X', et est terminé par une buse 112, orientée en regard de l'extrémité 44 de la partie tubulaire 4. Le conduit d'amenée de gaz 110 est relié à une réserve de gaz ou à un réseau public de distribution de gaz. Un conduit d'amenée d'eau 130 entre dans la chambre 100 par l'extrémité 42 de la partie tubulaire 4, parallèlement à l'axe X-X'. Ce conduit d'amenée d'eau 130 est relié à un réseau public de distribution ou à un réservoir d'eau. L'eau est expulsée du conduit 130 à l'état liquide. Le conduit 130 comporte une partie 132 s'étendant selon un axe confondu avec l'axe X-X'. Le conduit 130 comporte une partie coudée 134 joignant la partie du conduit 130 excentrée par rapport à l'axe X-X' et la partie 132 alignée avec l'axe X-X'. La partie 132 s'étend à travers le lacis 80 jusqu'à l'extrémité 68 de la chambre 100 et s'ouvre au voisinage de l'extrémité 68. La position du conduit d'amenée de gaz 110, et plus particulièrement de la buse 112 dans la chambre 100 est réglable, selon l'axe X-X' par des moyens non représentés. Indépendamment du conduit 110, la position du conduit 130 d'amenée d'eau est également réglable selon l'axe X-X'. Le fonctionnement est le suivant : Pour mettre en route le brûleur 2, l'alimentation en gaz est activée. Le gaz utilisé est de préférence un gaz hydrocarbure inflammable classique du type gaz de ville, tel que par exemple, le méthane, le butane ou le propane. Le gaz sortant de la buse 112 et se répandant dans la chambre 100 est alors enflammé, par tout moyen approprié, de la même façon que l'on allume les brûleurs d'une cuisinière. Un liquide inflammable peut également être utilisé. A cet effet, une lumière peut être ménagée dans le manchon 6 ou la partie tubulaire 4 afin de donner accès à la chambre 100 à un moyen non représenté, éventuellement électronique, propre à initier la combustion du gaz inflammable. Le brûleur 2 peut également comporter un moyen de détection de l'allumage couplé à un dispositif de sécurité apte à se déclencher en cas d'allumage défectueux. La buse 112 étant dirigée vers le lacis 80, la flamme produite par la combustion du gaz a pour effet de chauffer le lacis 80. Du fait de la forte densité du lacis 80 et de la finesse des fils métalliques le constituant, sa température augmente très rapidement, jusqu'à atteindre une température de 600 °C et pouvant dépasser 1200 °C. Cette température est alors maintenue. Le chauffage du lacis 80 étant effectué, l'alimentation en eau est déclenchée. L'eau expulsée du conduit 130 pénètre dans le lacis 80 et s'y répartit par capillarité, à partir de l'extrémité 68. L'entrelacement des mailles du lacis 80 est suffisamment serré pour permettre d'y retenir l'eau et de la répartir. Du fait de la haute température du lacis 80, il s'y produit une réaction chimique appelée craquage de l'eau. Cette réaction, qui se produit à partir d'une température de 700°C, permet de dissocier deux molécules d'eau en deux molécules de dihydrogène et une molécule de dioxygène selon la réaction 2H2O - 2H2 + 02. Lorsque l'eau se répand dans le lacis 80 chauffé par la combustion du gaz, la température du lacis 80 est suffisante pour que la réaction de craquage de l'eau se produise spontanément. Le dihydrogène produit par la réaction réagit alors instantanément avec l'oxygène de l'air ambiant et s'enflamme. Il est nécessaire de maintenir l'alimentation en gaz pour maintenir la combustion du dihydrogène produit par la réaction, afin de maintenir le lacis 80 à une température suffisante pour que la réaction de craquage de l'eau ait lieu. En effet, du fait de la forte densité du lacis 80, son refroidissement est accéléré par la quantité de surfaces de contact avec l'air ambiant. Les produits de la combustion du dihydrogène produit par la réaction de craquage de l'eau ne sont pas polluants. La flamme produite par la combustion du dihydrogène apporte plus d'énergie que celle produite par la combustion des gaz hydrocarbures classiques. Pour modifier les caractéristiques de la flamme produite, plusieurs paramètres du brûleur 2 peuvent être réglés. Le réglage de la position de la buse 112 et du débouché du conduit 130 selon l'axe X-X' permet de modifier la hauteur d'apparition de la flamme. En particulier, ce réglage permet d'éviter le bruit, appelé « jappement » produit par la combustion du dihydrogène. L'élimination de ce bruit permet d'augmenter le rendement de la combustion. L'extrémité 42 de la partie tubulaire 4 est ouverte et laisse le passage à l'air. Cette ouverture permet l'aspiration d'air par un effet Venturi produit par la buse 112. L'air aspiré par l'extrémité 42 de la partie tubulaire 4 réagit avec le dihydrogène produit par la réaction de craquage de l'eau, la combustion du dihydrogène se produisant dans le lacis 80. En variante non représentée, l'extrémité 42 de la partie tubulaire 4 peut être fermée au passage de l'air. Dans ce cas, le dihydrogène produit par la réaction de craquage de l'eau réagit avec l'oxygène de l'air présent à la sortie du lacis 80 du côté de l'extrémité 68 du manchon tubulaire 6 et avec l'oxygène de l'eau, pour produire une flamme à l'extérieur de la chambre 100. Selon d'autres variantes non représentées, la pénétration de l'air dans la chambre 100 à partir de l'extrémité 42 de la partie tubulaire 4 peut être contrôlée. Par exemple, le débit d'air peut être contrôlé au moyen d'une vanne. Dans un deuxième mode de réalisation du brûleur 2 représenté à la figure 2, la partie 132 du conduit d'alimentation en eau 130 débouche sur le lacis 80 au niveau de l'extrémité 44 de la partie tubulaire 4. Dans ce mode de réalisation, le brûleur 2 est de préférence orienté de façon à ce que le lacis 80 soit dans une position basse, afin que l'eau s'y répartisse par gravité à partir de l'extrémité 44 de la partie tubulaire 4. Dans un troisième mode de réalisation du brûleur 2 représenté à la figure 3, le conduit d'amenée d'eau 130 ne comprend pas de partie alignée avec l'axe X-X'. Dans cette configuration, le conduit 130 est adapté pour expulser l'eau perpendiculairement à l'axe X-X', en regard de la buse 112. La buse est partiellement entourée d'une coupelle 114 évasée en s'éloignant de l'axe X-X' et formant une zone de réception de l'eau expulsée du conduit 130. L'eau expulsée du conduit 130 est reçue dans la coupelle 114. L'injection de gaz a pour effet de chasser l'eau en direction du lacis 80. La vitesse du gaz étant supérieure à celle de l'eau, le gaz enflammé arrive au lacis 80 avant l'eau, ce qui permet la montée en température préalable du lacis 80 avant la réalisation de la réaction de craquage de l'eau. L'arrivée d'eau à différentes positions selon l'axe X-X' a pour effet de modifier la position de création de la flamme de combustion du dihydrogène. En modifiant les propriétés chimiques de l'eau introduite dans le lacis 80, il est possible d'améliorer le rendement du brûleur 2. L'eau peut être filtrée avant sa sortie dans la chambre 100. L'eau peut également être remplacée par une solution aqueuse comprenant des acides ou des bases, ainsi que tout autre composé permettant de diminuer la température nécessaire à la réaction de craquage de l'eau ou d'accélérer la réaction. Certains composés permettent d'améliorer le rendement de la combustion du dihydrogène. Le lacis 80 peut être remplacé par un élément composé de tubes métalliques de très faibles diamètres accolés les uns aux autres, offrant une surface de contact élevée avec la flamme produite par la combustion du gaz, et une rapide augmentation de température par conduction. Dans ce cas, l'eau doit s'étaler de façon homogène dans l'ensemble des tubes. En variante non représentée, le lacis 80 peut être remplacé par un élément poreux tel qu'une couche de céramique percée de trous suffisamment larges pour permettre la circulation de l'air, et suffisamment fins pour y retenir l'eau. Dans ce cas, les caractéristiques de la céramique utilisée permettent une conduction thermique suffisante et une résistance à des températures supérieures à 1200 °C. REVENDICATIONS1.- Procédé de production de flamme par un brûleur (2), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) amener un fluide inflammable dans une chambre de réaction (100) bordée par une couche de matériau (80) formée par un lacis de fils métalliques ou par un élément poreux ; b) initier la combustion du fluide inflammable ; c) maintenir la combustion jusqu'à ce que la couche de matériau (80) atteigne une température supérieure ou égale à 700 °C ; d) amener une quantité d'eau liquide dans la couche de matériau (80) chauffée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau est amenée dans la couche de matériau (80) chauffée par un tuyau (130). 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau est entraînée vers la couche de matériau (80) chauffée par effet aéraulique. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, avant l'étape d), une étape supplémentaire consistant à : e) filtrer l'eau et/ou dissoudre un composé dans l'eau. 5.- Brûleur (2) comprenant : - une chambre de réaction (100) comportant au moins une extrémité ouverte (68). - un conduit (110) d'amenée de fluide inflammable dans la chambre (100), caractérisé en ce qu'il comprend : - un lacis (80) de fils ou un élément poreux en matériau résistant à une température supérieure à 1200°C, s'étendant sur la section transversale de la chambre (100), en regard du débouché (112) du conduit (110) d'amenée de fluide, au voisinage d'une extrémité (68) ouverte de la chambre (100) opposée au conduit (110) d'amenée de fluide, et - un conduit (130) d'amenée d'eau à l'état liquide vers le lacis (80) ou vers l'élément poreux. 6.- Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la position du débouché (112) du conduit (110) d'amenée de fluide par rapport au lacis (80) ou à l'élément poreux est réglable selon un axe longitudinal (X-X') de la chambre de réaction (100). 7.- Brûleur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le conduit (130) d'amenée d'eau est adapté pour expulser l'eau en regard du débouché (112) du conduit (110) d'amenée de fluide, perpendiculairement au conduit (110) d'amenée de fluide.8 8.- Brûleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conduit (110) d'amenée de fluide comporte, au voisinage de son débouché (112), une zone (114) de réception de l'eau expulsée du conduit (130) d'amenée d'eau. 9.- Brûleur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'extrémité 5 (42) de la chambre (100) opposée au lacis (80) ou à l'élément poreux est ouverte à la circulation de l'air. 10.- Brûleur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'extrémité (42) de la chambre (100) opposée au lacis (80) ou à l'élément poreux est fermée à la circulation de l'air.