Brevet FR3135313A1 — publié le 20231110

La présente invention concerne un brûleur à gaz à combustion de surface (1) antidéflagrant et antidétonant. Ce brûleur est remarquable en ce qu’il comprend un corps de brûleur (2), percé d’une série d’orifices (21) dont chacun se prolonge par un rebord (22), ces orifices (21) étant disposés selon plusieurs rangées (24) d’orifices (21) alignés et un distributeur de gaz (5) qui comprend un corps de distributeur (50) muni d’une pluralité de branches longitudinales (52) de distribution de gaz, chaque branche (52) étant percée par un alignement d’orifices bordés par un rebord (59) et en ce que le corps de distributeur (50) est disposé dans le corps de brûleur (2) afin que chaque orifice du corps de distributeur (50) soit coaxial avec un orifice (21) du corps de brûleur (2), de sorte que lorsque le corps de brûleur (2) est raccordé à une source d’alimentation en air et le corps de distributeur (50) à une source d’alimentation en gaz, l’air et le gaz se mélangent uniquement au niveau des rebords (22) du corps de brûleur (2). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Brûleur à gaz à combustion de surface antidéflagrant et antidétonant. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un brûleur à gaz à combustion de surface, notamment un brûleur à hydrogène. Un tel brûleur est notamment destiné à être utilisé dans les appareils de chauffage domestiques ou industriels, pour réchauffer un fluide circulant dans un échangeur. ETAT DE LA TECHNIQUE Deux générations de brûleur à gaz se sont principalement succédées, à savoir les brûleurs atmosphériques et les brûleurs à air soufflé. Dans les brûleurs atmosphériques, le gaz sous pression est émis à travers un gicleur et entraîne un débit d’air via un dispositif convergent/divergent. Un tel brûleur présente l’inconvénient d’émettre des rejets polluants dans l’atmosphère. Parmi les brûleurs à air soufflé, les brûleurs à prémélange air/gaz ou brûleurs « prémix », permettent une parfaite maîtrise du prémélange de gaz et d’air (voir par exemple le brûleur décrit dans le document WO2014006103). Les rejets polluants sont ainsi considérablement réduits. Cependant, dans le cas de brûleur prémix, la combustion à lieu à la surface extérieure du brûleur. Afin d’éviter un vieillissement rapide du brûleur par rougissement de son enveloppe, (ce qui est le cas si la flamme se rapproche trop de la surface de celle-ci), la plage de variation de puissance d’un tel brûleur prémix est de l’ordre de 1 à 3, voire au maximum de 1 à 10, si l’enveloppe est réalisée dans un matériau résistant aux hautes températures ou comporte un design spécifiquement étudié tel le brûleur décrit dans le document WO2014006103. Par ailleurs, durant le fonctionnement de ce brûleur à prémélange air/gaz, il faut faire varier le débit du mélange d’air et de gaz de façon à éviter le décollement de la flamme par un excès de débit et inversement à éviter que la flamme ne retourne dans le brûleur par un manque de débit suffisant, en provoquant ainsi un retour de flamme. Un tel retour de flamme peut en effet conduire à une déflagration, voire à une détonation. Pour un brûleur donné, la plage de modulation de sa puissance est donc régulée par son débit maximum, qui correspond à une vitesse de sortie de gaz inférieure au décollement de la flamme et par son débit minimum, qui correspond à une vitesse de sortie de gaz supérieure à la vitesse de retour de la flamme. De plus, ces deux bornes extrêmes de la vitesse du mélange d’air et de gaz sont liées à la vitesse de propagation de la flamme du gaz considéré, en d’autres termes, à la nature de celui-ci. Ainsi, un même brûleur à prémélange air/gaz offrira une plage de fonctionnement différente en fonction de la nature du gaz utilisé et de sa vitesse de propagation. À titre indicatif, le gaz naturel a une vitesse moyenne de propagation de 0,37 mètres/seconde et l’hydrogène une vitesse moyenne de propagation de l’ordre de 2,6 mètres/seconde, soit près de sept fois plus rapide. Les brûleurs à combustion de surface de l’état de la technique ne sont donc pas bien adaptés à l’utilisation du gaz hydrogène, qui plus est, si l’on souhaite pouvoir utiliser un tel brûleur sur une plage importante de variations de puissance. Or, afin de respecter des critères environnementaux et écologiques, l’hydrogène pourrait être une alternative intéressante en tant que carburant pour l’alimentation de ces brûleurs. Un but de l’invention est donc de proposer un brûleur à combustion de surface qui puisse fonctionner notamment avec de l’hydrogène, tout en étant fiable, c’est-à-dire en évitant le phénomène de retour de flamme et les risques associés et tout en étant susceptible d’être utilisé sur une plage importante de variations de puissance. A cet effet, l’invention concerne un brûleur à gaz à combustion de surface antidéflagrant et antidétonant. Conformément à l’invention, ce brûleur comprend un corps de brûleur en métal ou en matériau réfractaire et un distributeur de gaz, le corps de brûleur délimite une cavité intérieure raccordable à une source d’alimentation en air et présente une face extérieure et une face intérieure, le corps de brûleur est percé d’une série d’orifices dont chacun se prolonge par un rebord, qui fait saillie depuis cette face extérieure et dont l’axe central est normal à cette face extérieure, ces orifices étant disposés selon plusieurs rangées d’orifices alignés, le distributeur de gaz comprend un corps de distributeur qui délimite un logement raccordable à une source d’alimentation en gaz, le corps de distributeur comprend une pluralité de branches longitudinales de distribution de gaz, chaque branche comprenant deux parois longitudinales, espacées l’une de l’autre de façon à définir entre elles un espace lamellaire longitudinal de distribution du gaz, qui débouche à son extrémité longitudinale interne dans ledit logement, les deux parois de chaque branche se rejoignant pour former un bord longitudinal externe, une extrémité avant fermée et une extrémité arrière fermée de ladite branche, chaque branche est percée par une série d’orifices alignés le long de son bord longitudinal externe, chaque orifice étant bordé par un rebord qui fait saillie sur la face extérieure dudit bord longitudinal et chaque orifice ayant un axe central normal à cette face extérieure dudit bord longitudinal, le corps de distributeur est disposé dans la cavité intérieure du corps de brûleur de sorte que chaque orifice du corps de distributeur soit coaxial avec un orifice du corps de brûleur, le corps de distributeur et le corps de brûleur sont dimensionnés de façon que le diamètre intérieur D2 d’un orifice du corps de brûleur soit supérieur au diamètre extérieur D1 du sommet du rebord d’un orifice du corps de distributeur disposé en regard de ce même orifice, de façon qu’il existe un intervalle pour le passage de l’air entre le sommet du bord longitudinal externe de chaque branche et la face intérieure du corps de brûleur, et de façon que le sommet du rebord de chaque orifice soit à proximité immédiate de l’embouchure d’entrée de l’orifice en regard duquel il est placé, de sorte que lorsque le corps de brûleur est raccordé à une source d’alimentation en air et le corps de distributeur à une source d’alimentation en gaz, l’air pénètre dans le corps de brûleur, circule entre les branches du corps du distributeur et dans l’intervalle et s’échappe hors du brûleur au travers des rebords du corps de brûleur, tandis que le gaz pénètre dans le logement du corps de distributeur, circule dans l’espace lamellaire des branches puis au travers des orifices et des rebords de ce corps de distributeur et enfin au travers des rebords du corps de brûleur au sein desquels il rencontre l’air et est mélangé à celui-ci. Grâce à ces caractéristiques de l'invention, le gaz et l’air circulent dans le brûleur où les pertes de charges sont extrêmement réduites, au travers de circuits séparés et ne sont mélangés qu’au dernier moment à l’intérieur des rebords du corps de brûleur. Ces rebords constituent ainsi des micro-chambres de mélange du gaz et de l’air et la combustion a lieu en surface c’est-à-dire à la sortie de ces rebords, empêchant ainsi tout retour de flamme. Un tel brûleur est donc particulièrement adapté à un usage avec de l’hydrogène, gaz qui présente une grande vitesse de propagation de flamme, puisque le retour de flamme est empêché et donc également tout risque de détonation ou de déflagration. De plus, les volumes de gaz et d’air mélangés sont maîtrisés et permettent d’obtenir une grande plage de modulation. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - au moins un rebord d’un orifice du corps de brûleur et/ou au moins un rebord d’un orifice du corps de distributeur est dentelé de façon à présenter des encoches. - le corps de brûleur est formé d’une virole cylindrique, obturée à son extrémité arrière par un fond et dont l’extrémité avant est munie d’une bride de façade raccordable à la source d’alimentation en air, les orifices du corps de brûleur sont ménagés dans ladite virole de sorte que les rangées d’orifices s’étendent axialement sur cette virole, le corps de distributeur comprend un cylindre creux qui délimite ledit logement de ce corps, ce logement étant central et cylindrique, les branches longitudinales de distribution de gaz s’étendent radialement autour de ce cylindre, le corps de distributeur est obturé à son extrémité arrière par un fond et à son extrémité avant par une bride avant, munie d’un trou central raccordable à la source d’alimentation en gaz, le distributeur de gaz comprend un dispositif de pré-répartition du gaz, qui comprend un corps cylindrique, muni d’une ouverture centrale cylindrique axiale et de plusieurs étages de canaux radiaux, chaque canal radial s’étendant depuis ladite ouverture centrale jusqu’à la surface extérieure dudit corps cylindrique, et ce dispositif de pré-répartition du gaz est disposé coaxialement à l’intérieur du logement cylindrique du corps de distributeur, de façon que son ouverture centrale soit en regard du trou central de la bride et que chacun de ses canaux radiaux débouche dans l’espace lamellaire d’une branche du corps de distributeur. - le corps cylindrique du dispositif de pré-répartition du gaz comprend plusieurs rondelles arrière et une rondelle avant, ces rondelles arrière et avant présentant chacune une ouverture centrale cylindrique et deux faces planes opposées, ces ouvertures centrales étant de même diamètre, la rondelle avant et les rondelles arrières étant assemblées les unes contre les autres de façon que leurs ouvertures centrales respectives soient coaxiales, les rondelles arrière présentant sur l’une de leurs faces planes, une série de gorges radiales qui délimitent avec la face opposée d’une rondelle arrière voisine, lesdits canaux radiaux. - le dispositif de pré-répartition du gaz comprend un dispositif de mise en mouvement du gaz entrant dans ce dispositif de pré-répartition du gaz, pour impartir à ce gaz un mouvement hélicoïdal lorsqu’il circule à l’intérieur de l’ouverture centrale du corps cylindrique. - le dispositif de mise en mouvement du gaz est une hélice fixe. - la virole du corps de brûleur présente une extrémité arrière, en ce que le fond du corps de brûleur comprend un disque plein muni d’un rebord annulaire périphérique qui est soudé de manière étanche aux gaz à l’extrémité arrière de la virole, en ce que ledit disque plein présente une face avant et est muni d’au moins un doigt de positionnement qui fait saillie depuis cette face avant et en ce que ledit au moins un doigt de positionnement est inséré entre deux branches voisines du corps du distributeur de gaz. - le corps de distributeur est formé d’une tôle métallique repliée sur elle-même pour former les branches de distribution de gaz. - les extrémités avant et arrière de chaque branche du corps de distributeur sont fermées par pincement et soudure. - l’intervalle pour le passage de l’air présente une hauteur supérieure ou égale à 0,2 mm. - le ratio D2/D1 entre le diamètre intérieur d’un orifice du corps de brûleur et le diamètre extérieur du sommet du rebord d’un orifice disposé en regard de ce même orifice est compris entre 1,2 et 4. - le gaz est de l’hydrogène. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : est une vue en perspective éclatée des éléments constituant un mode de réalisation possible du brûleur à gaz conforme à l’invention. est une vue en perspective de ce même brûleur, dont les différents éléments sont en position assemblée. est une vue en perspective du distributeur de gaz du brûleur à gaz de la . est une vue en perspective éclatée des différents éléments constituant le distributeur de gaz de la . est une vue en coupe longitudinale du brûleur à gaz, prise selon le plan de coupe passant par la ligne V–V de la . est une vue en coupe longitudinale des orifices ménagés dans le corps du brûleur et dans le distributeur, prise selon le plan de coupe passant par la ligne VI–VI de la . est une vue de détail agrandie du corps du brûleur et du distributeur représenté sur la . Brûleur à gaz à combustion de surface (1) antidéflagrant et antidétonant, caractérisé en ce qu’il comprend un corps de brûleur (2) en métal ou en matériau réfractaire et un distributeur de gaz (5), en ce que le corps de brûleur (2) délimite une cavité intérieure (20) raccordable à une source d’alimentation en air et présente une face extérieure (23) et une face intérieure (23’), en ce que le corps de brûleur (2) est percé d’une série d’orifices (21) dont chacun se prolonge par un rebord (22), qui fait saillie depuis cette face extérieure (23) et dont l’axe central (Z1-Z’1) est normal à cette face extérieure (23), ces orifices (21) étant disposés selon plusieurs rangées (24) d’orifices (21) alignés, en ce que le distributeur de gaz (5) comprend un corps de distributeur (50) qui délimite un logement (53) raccordable à une source d’alimentation en gaz, en ce que le corps de distributeur (50) comprend une pluralité de branches longitudinales (52) de distribution de gaz, chaque branche (52) comprenant deux parois longitudinales (54, 54’), espacées l’une de l’autre de façon à définir entre elles un espace lamellaire longitudinal (55) de distribution du gaz, qui débouche à son extrémité longitudinale interne (550) dans ledit logement (53), les deux parois (54, 54’) de chaque branche (52) se rejoignant pour former un bord longitudinal externe (56), une extrémité avant fermée (57) et une extrémité arrière fermée (57’) de ladite branche (52), en ce que chaque branche (52) est percée par une série d’orifices (58) alignés le long de son bord longitudinal externe (56), chaque orifice (58) étant bordé par un rebord (59) qui fait saillie sur la face extérieure (560) dudit bord longitudinal (56) et chaque orifice (58) ayant un axe central (Z2-Z’2) normal à cette face extérieure (560) dudit bord longitudinal (56), en ce que le corps de distributeur (50) est disposé dans la cavité intérieure (20) du corps de brûleur (2) de sorte que chaque orifice (58) du corps de distributeur (50) soit coaxial avec un orifice (21) du corps de brûleur (2), et en ce que le corps de distributeur (50) et le corps de brûleur (2) sont dimensionnés de façon que le diamètre intérieur D2 d’un orifice (21) du corps de brûleur (2) soit supérieur au diamètre extérieur D1 du sommet (590) du rebord (59) d’un orifice (58) du corps de distributeur (50) disposé en regard de ce même orifice (21), de façon qu’il existe un intervalle (27) pour le passage de l’air entre le sommet (561) du bord longitudinal externe (56) de chaque branche (52) et la face intérieure (23’) du corps de brûleur (2), et de façon que le sommet (590) du rebord (59) de chaque orifice (58) soit à proximité immédiate de l’embouchure d’entrée (210) de l’orifice (21) en regard duquel il est placé, de sorte que lorsque le corps de brûleur (2) est raccordé à une source d’alimentation en air et le corps de distributeur (50) à une source d’alimentation en gaz, l’air pénètre dans le corps de brûleur (2), circule entre les branches (52) du corps du distributeur (50) et dans l’intervalle (27) et s’échappe hors du brûleur (1) au travers des rebords (22) du corps de brûleur (2), tandis que le gaz pénètre dans le logement (53) du corps de distributeur (50), circule dans l’espace lamellaire (55) des branches (52) puis au travers des orifices (58) et des rebords (59) de ce corps de distributeur (50) et enfin au travers des rebords (22) du corps de brûleur (2) au sein desquels il rencontre l’air et est mélangé à celui-ci. Brûleur à gaz (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins un rebord (22) d’un orifice (21) du corps de brûleur (2) et/ou au moins un rebord (59) d’un orifice (58) du corps de distributeur (50) est dentelé de façon à présenter des encoches (22’, 59’). Brûleur à gaz (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps de brûleur (2) est formé d’une virole cylindrique (200), obturée à son extrémité arrière (26) par un fond (3) et dont l’extrémité avant (25) est munie d’une bride de façade (4) raccordable à la source d’alimentation en air, en ce que les orifices (21) du corps de brûleur (2) sont ménagés dans ladite virole (200) de sorte que les rangées (24) d’orifices (21) s’étendent axialement sur cette virole, en ce que le corps de distributeur (50) comprend un cylindre creux (51) qui délimite ledit logement (53) de ce corps, ce logement (53) étant central et cylindrique, en ce que les branches longitudinales (52) de distribution de gaz s’étendent radialement autour de ce cylindre (51), en ce que le corps de distributeur (50) est obturé à son extrémité arrière par un fond (6) et à son extrémité avant par une bride avant (7), munie d’un trou central (71) raccordable à la source d’alimentation en gaz, en ce que le distributeur de gaz (5) comprend un dispositif (8) de pré-répartition du gaz, qui comprend un corps cylindrique, muni d’une ouverture centrale cylindrique axiale (800, 810) et de plusieurs étages (807) de canaux radiaux (805), chaque canal radial (805) s’étendant depuis ladite ouverture centrale (800, 810) jusqu’à la surface extérieure (803) dudit corps cylindrique, et en ce que ce dispositif (8) de pré-répartition du gaz est disposé coaxialement à l’intérieur du logement cylindrique (53) du corps de distributeur (50), de façon que son ouverture centrale (800, 810) soit en regard du trou central (71) de la bride (7) et que chacun de ses canaux radiaux (805) débouche dans l’espace lamellaire (55) d’une branche (52) du corps de distributeur (2). Brûleur à gaz (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps cylindrique du dispositif (8) de pré-répartition du gaz comprend plusieurs rondelles arrière (80) et une rondelle avant (81), ces rondelles arrière (80) et avant (81) présentant chacune une ouverture centrale cylindrique (800, 810) et deux faces planes opposées (801, 802, 811, 812), ces ouvertures centrales (800, 810) étant de même diamètre, la rondelle avant (81) et les rondelles arrières (80) étant assemblées les unes contre les autres de façon que leurs ouvertures centrales respectives (800, 810) soient coaxiales, les rondelles arrière (80) présentant sur l’une de leurs faces planes (801, 802), une série de gorges radiales (804) qui délimitent avec la face opposée (802, 801) d’une rondelle arrière (80) voisine, lesdits canaux radiaux (805). Brûleur à gaz (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif (8) de pré-répartition du gaz comprend un dispositif (9) de mise en mouvement du gaz entrant dans ce dispositif (8) de pré-répartition du gaz, pour impartir à ce gaz un mouvement hélicoïdal lorsqu’il circule à l’intérieur de l’ouverture centrale (800, 810) du corps cylindrique. Brûleur à gaz (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif (9) de mise en mouvement du gaz est une hélice fixe. Brûleur à gaz (1) selon l’une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la virole (200) du corps de brûleur (2) présente une extrémité arrière (26), en ce que le fond (3) du corps de brûleur (2) comprend un disque plein (30) muni d’un rebord annulaire périphérique (31) qui est soudé de manière étanche aux gaz à l’extrémité arrière (26) de la virole (200), en ce que ledit disque plein (30) présente une face avant (301) et est muni d’au moins un doigt de positionnement (32) qui fait saillie depuis cette face avant (301) et en ce que ledit au moins un doigt de positionnement (32) est inséré entre deux branches (52) voisines du corps (50) du distributeur de gaz (5). Brûleur à gaz (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de distributeur (50) est formé d’une tôle métallique repliée sur elle-même pour former les branches (52) de distribution de gaz. Brûleur à gaz (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que les extrémités avant (57) et arrière (57’) de chaque branche (52) du corps de distributeur (50) sont fermées par pincement et soudure. Brûleur à gaz (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’intervalle (27) pour le passage de l’air présente une hauteur (H2) supérieure ou égale à 0,2 mm. Brûleur à gaz (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ratio D2/D1 entre le diamètre intérieur (D2) d’un orifice (21) du corps de brûleur (2) et le diamètre extérieur (D1) du sommet (590) du rebord (59) d’un orifice (58) disposé en regard de ce même orifice (21) est compris entre 1,2 et 4. Brûleur à gaz (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz est de l’hydrogène.