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Perfectionnement aux brûleurs à combustibles gazeux.
La présente invention concerne les brûleurs à combusti- bles gazeux, à orifices multiples, et vise à réaliser une plus gran- de stabilité des flammes fournies par de tels brûleurs. Elle est spécialement applicable aux brûleurs à induction atmosphérique qui doivent être adaptés successivement à des combustibles gazeux diffé- rents ou à différentes pressions d'alimentation.
On sait que la stabilité des flammes d'un brûleur est li- mitée par deux phénomènes contradictoires à savoir: le retour de flamme, qui est observé lorsque la vitesse de propagation de la flamme, dans le mélange air-gaz est nettement supérieure à la vites-
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se de sortie du mélange à la tête du brûleur, et quand aucun dispo- sitif, n'est placé pour empêcher la flamme de "remonter" le courant gazeux - le décollement et le soufflage de la flamme, quand, au contraire, la vitesse de sortie du mélange gazeux est plus élevée que la vitesse de propagation de la flamme, et en l'absence du dis- positif de fixation ou d'accrochage de la flamme, le phénomène de soufflage s'amorçant à la partie la plus vulnérable de la flamme, par exemple dans une zone d'arrivée massive de l'air secondaire.
En dehors des désagréments que peuvent causer les deux phénomènes à l'état pur, il résulte du mauvais fonctionnement des brûleurs une perte de rendement calorifique, des dangers d'explosion lors des réallumages intempestifs, des détériorations du matériel, et la formation de résidus de combustion insalubres ou gênants (par exemple d'oxyde de carbone ou de suie).
En vue d'augmenter la stabilité de la flamme des brûleurs à combustibles gazeux à orifices multiples, suivant l'invention, on donne à ceux-ci une structure telle que les pertes de charge subies par les filets gazeux qui sortent de la partie inférieure de chaque orifice soient plus élevées que les pertes de charge subies par les filets qui sortent de la partie supérieure, afin que les premiers sortent avec une vitesse moindre que les seconds et que l'air secon- daire arrive dans les filets gazeux de moindre vitesse, un écran sen- siblement horizontal étant, en outre, prévu au niveau inférieur des orifices du brûleur pour que l'air secondaire n'atteigne pas brutale- ment la base de la flamme, mais s'incorpore progressivement à la dite flamme.
Grâce à l'ensemble de ces dispositions, on peut réaliser une variation importante de la vitesse de sortie du mélange gazeux selon les filets de gaz considérés, l'air secondaire arrive dans la zone du brûleur où la vitesse de sortie du gaz est la plus faible; la présence d'écrans protecteurs évite la rencontre brutale entre l'air secondaire et la flamme, dans la partie où elle est la plus vulnérable.
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Du fait de ces différentes particularités, on obtient une très grande stabilité de flamme, même aux très bas régimes correspon- dant, par exemple, à une différence de pression de 2 mm de colonne d'eau entre l'entrée et la sortie du brûleur, une marche hygiénique quelles que soient la puissance calorifique demandée, la nature du gaz utilisé et la pression d'alimentation, une grande faculté d'adap- tation aux divers gaz combustibles utilisables, et enfin, un rende- ment énergétique maximum résultant du modelage possible du front de flamme pour l'adapter à l'objet qui doit être chauffé.
Grâce à leur structure particulière on peut construire des brûleurs très robustes présentant une grande souplesse de fonctionne- ment et une grande stabilité de flamme. Les formes des dits brûleurs peuvent être modelées selon les différents problèmes de chauffage à résoudre, et ces brûleurs peuvent, en outre, être alimentés en gaz de caractéristiques très diverses avec des rendements variant peu selon les divers gaz utilisés.
L'invention a également pour objet des modes de réalisation',., comportant l'une au moins des caractéristiques suivantes et plus particulièrement leurs différentes combinaisons : a) dans le cas où les orifices du brûleur sont constitués, chacun par une fente, on réalise une perte de charge variable suivante le niveau auquel sort le gaz de la dite fente, en réalisant une Fente de largeur constante et de profondeur variable, b) dans un orifice en forme de fente, on réalise des per- tes de charge variables, par une chicane disposée à l'entrée du dit orifice, c) l'écran précité présente un rebord sensiblement verti- cal faisant face aux orifices de sortie du gaz, sur une petite frac- tion seulement de la hauteur des dits orifices.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion suivante et à l'examen des dessins annexés qui montrent, à ti- tre d'exemples, seulement, quelques modes de réalisation de l'inven- tion.
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Sur ces dessins : la figure 1 représente schématiquement, en élévation, un brûleur type suivant l'invention, la figure 2 est, à plus grande échelle, une coupe partiel- le faite suivant la ligne II-II de la figure 1, les figures 3 et 4 sont des vues analogues à la figure 2 et montrent deux variantes, la figure 5 est une coupe partielle faite suivant la li- gne VI-VI de la figure 6, la figure 6 montre un mode de réalisation du brûleur avec chicane devant chaque orifice de sortie du gaz, les figures 7 et 8 montrent, en élévation, deux autres types de brûleurs selon l'invention.
Le brûleur dit "brûleur pipe" représenté sur la figure 1, comporte un corps 1 d'arrivée de gaz, sur lequel est placé un orga- ne 2 de répartition du mélange gazeux, surmonté d'un plateau 3.
L'organe 2 de répartition du mélange gazeux est de forme extérieure tronconique et de forme intérieure cylindrique (voir aussi figure 2).
Sa paroi est traversée par des fentes radiales 4 dont la largeur est constante, mais dont l'épaisseur diminue de la partie inférieu- re vers la partie supérieure, étant donné l'obliquité de la face extérieure tronconique du corps 2. Les filets de mélange gazeux, qui entrent dans le corps 1, subiront donc, en passant dans les fentes 4, des pertes de charge différentes, suivant les niveaux auxquels, ils se trouvent dans les dites fentes. La perte de charge est maxi- mum à la base de la fente, de sorte que la vitesse de sortie du gaz sera la plus faible à la base de l'organe de répartition du mélange gazeux. C'est précisément à cet endroit que se fait l'arrivée d'air secondaire, celui-ci n'aura pas donc tendance à nuire à la stabili- té de la flamme.
Un écran sensiblement horizontal 6 entoure l'organe 2 de répartition du mélange gazeux, juste au niveau inférieur des fentes 4 de sortie du gaz, de façon que l'air secondaire n'attaque pas bru- talement la base des flammes et s'incorpore progressivement à celles-
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ci, toujours en vue de ne pas nuire à la stabilité de la flamme.
Cette combinaison de moyens, à savoir : le fait de pro- duire des pertes de charge différentes dans la hauteur des fentes, de façon que la vitesse de sortie des gaz soit minimum à la base des fentes, d'amener l'air secondaire précisément à l'endroit où la vitesse des filets de gaz est minimum et la présence d'un écran ho- rizontal 6, à la base de la flamme, procure une amélioration de la stabilité nettement plus grande que la somme des améliorations que l'on peut obtenir par l'utilisation séparée de chacun de ces moyens, ainsi que l'a montré l'expérience.
Avec un brûleur tel que celui qu'on vient de décrire, une fois le régime établi, c'est-à-dire lors- que le brûleur a atteint sa température stationnaire, on a constaté, par rapport à un brûleur qui n'est pas muni de l'écran 6, une amé- lioration faisant passer de 1620 à 3090 le débit calorifique en mil- lithermies par heure par cm2 de section de la sortie du gaz du brû- leur. L'écran renforçant la stabilité des flammes, il est possible de pousser assez loin le débit calorifique avant d'observer un décol- lement de la flamme. En combinant le système de l'écran, avec le système de fentes créant des pertes de charge plus élevées à la base qu'au sommet, on peut arriver à froid, à un débit calorifique supé- rieur à 2. 000 millithermies par cm2, c'est-à-dire à sensiblement le double de ce qu'on obtiendrait sans écran.
On peut encore renforcer le rôle de l'écran 6 si l'on divi- se celui-ci en deux échelons, c'est-à-dire si on le munit d'un rebord sensiblement vertical 8 (figure 4) faisant face aux orifices de sor- tie du gaz sur une petite fraction seulement de la hauteur des dits orifices.
A titre d'exemple, on peut donner aux fente!rune hauteur de 6 mm, une largeur de 1,5mm, une profondeur au sommet de 2 mm et un angle d'inclinaison de la face extérieure de l'organe répartiteur de 45 , la largeur de l'écran 6 étant de l'ordre de 4 mm et la hau- teur du Rebord de l'ordre de 2 mm.
Avec les caractéristiques que l'on vient de donner on dé- passe alors 4.000 millithermies par em2 avec un brûleur froid, c'est-
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à-dire que l'on double encore le débit calorifique admissible.
Sur la figure 3 on a représenté une variante de forme de fente 7 limitée, à l'extérieur par une surface cylindrique 11, et à l'intérieur par une surface tronconique 12 évasée vers le haut.
On observe que, aux erreurs d'expériences près, l'inclinai- son de la face de sortie du brûleur est un facteur négligeable, quand la base de la flamme est protégée par un écran, de l'action des fi- lets d'air secondaire ascendants. Quantitativement, quand l'angle a de la figure 2 passe de 40 à 45 puis à 50 , le débit calorifique de soufflage varie de 2090 à 2120 pour baisser à 1960 pour un angle de 90 .
Comme l'orientation de la face de sortie commande la forme générale de la flamme du brûleur, on peut modeler cette forme sans perdre beaucoup sur la puissance calorifique du brûleur, tout en res- pectant les conditions de stabilité, et cette particularité permet de modeler la flamme des brûleurs selon l'invention.
C'est ainsi par exemple que l'on peut facilement réaliser des brûleurs suivant l'invention, présentant la configuration 16 re- présentée sur la figure 7 pour un brûleur de gril (la flamme étant représentée en 20 et léchant les aspérités 21 de la plaque rayonnan- te), ou celle représentée en 17 sur la figure 8 pour un brûleur de machine à laver.
Il suffit d'orienter et de disposer les fentes des brû- leurs de manière à réaliser une variation convenable des vitesses d'é- coulement du gaz et une orientation convenable du plan de la face de sortie du brûleur, pour que la flamme soit dirigée dans la bonne di- rection.
La largeur de l'écran placé à la base des fentes joue un grand rôle dans la résistance de la flamme au soufflage. Toutefois, au fur et à mesure qu'on augmente la largeur de cet écran, le gain en ± 3 stabilité est rapidement annihilé par un phénomène secondaire gênant, à savoir le manque d'aération à la base de la falmme. Théoriquement, la flamme restant stable pour des débits calorifiques plus importants, on pourrait diminuer relativement les dimensions géométriques du brû- leur.
Mais le gain de puissance, spécialement dans le cas de
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brûleurs alimentés en gaz naturel, qui ne sont pas à injection d'air total, est trop faible comparé à la perte de rendement, la combustion peut cesser d'être hygiénique et on ne gagne rien au-delà d'une lar- geur de l'ordre de 4 à 5 millimètres pour l'écran.
L'épaulement de l'écran tant qu'il n'interfère pas avec l'aération ou qu'il ne se prolonge pas dans la flamme elle-même, a un effet constant. Mais il faut qu'il soit continu et cela oblige à maintenir industriellement sa hauteur aux alentours de 2 mm pour des brûleurs courants.
La largeur des fentes, distance entre les deux plans parai-; lèles qui découpent les parois du brûleur, est un facteur important de stabilité des flammes. Quand la largeur des fentes croit, le taux d'aération, toutes choses égales d'ailleurs, croit également, la sta- bilité de la flamme au soufflage aussi.
Toutefois la tendance au retour de flammes croit également, et dans le cas de brûleurs qui pourront être alimentés, soit au gaz de ville, soit au gaz naturel, la largeur des fentes de 1,5 mm re- présente un compromis acceptable dans les conditions usuelles d'em- ploi de ces deux gaz.
Le volume de la chambre du brûleur, en amont des fentes, est sans influence sur la stabilité des flammes au soufflage ou au retour de flammes, sous réserve que le mélange air-gaz ait pu se réaliser de façon homogène.
On constate que, pour une grande variation de régime d'un brûleur individuel, le front de flamme reste stable, ce qui permet d'obtenir un rendement calorifique constant sans nuire aux qualités de la flamme. On peut orienter facilement ce front de flamme en pro- fitant notamment du fait que pour les fentes du type de la figure 2, les caractéristiques du brûleur changent peu avec le-orientation de la face de sortie du brûleur.
On peut réaliser une variation de la perte de charge aux différents niveaux des orifices de sortie du gaz par'd'autres moyens que par la variation de la largeur de la fente et, par exemple, au moyen de chicanes, par exemple des chicanes en forme de pointes 18,
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comme représenté sur les figures 5 et 6, les dites chicanes étant disposées à l'intérieur de l'organe de répartition du gaz, devant l'entrée des fentes 19 qui, dans cet exemple, sont de largeur con- stante.
De préférence toutefois, pour des commodités de construc- tion, le système de chicane peut être réalisé sous la forme d'une couronne placée derrière les fentes.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui ont été donnés à titre d'exem- ples, on peut y'apporter de nombreuses modifications accessibles à l'homme de l'art, sans sortir, pour cela du cadre de l'invention.
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Improvement in gas fuel burners.
The present invention relates to multi-orifice gaseous fuel burners and aims to achieve greater flame stability provided by such burners. It is especially applicable to atmospheric induction burners which must be successively adapted to different gaseous fuels or to different supply pressures.
We know that the stability of the flames of a burner is limited by two contradictory phenomena, namely: the flashback, which is observed when the speed of propagation of the flame, in the air-gas mixture is clearly greater than the quickly
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at the exit of the mixture at the head of the burner, and when no device is placed to prevent the flame from "going up" the gas stream - the detachment and the blowing of the flame, when, on the contrary, the speed output of the gas mixture is higher than the flame propagation speed, and in the absence of the device for fixing or attaching the flame, the blowing phenomenon is initiated at the most vulnerable part of the flame. the flame, for example in a zone of massive inflow of secondary air.
Apart from the inconvenience caused by the two phenomena in their pure state, the malfunctioning of the burners results in a loss of heat output, the dangers of explosion during untimely re-ignition, damage to the equipment, and the formation of residues of unsanitary or annoying combustion (eg carbon monoxide or soot).
In order to increase the stability of the flame of the multiple-orifice gaseous fuel burners according to the invention, they are given a structure such that the pressure drops undergone by the gas streams which exit from the lower part of the each orifice are greater than the pressure drops undergone by the threads coming out of the upper part, so that the first exit at a slower speed than the second and that the secondary air arrives in the gaseous streams at lower speed, a substantially horizontal screen being, moreover, provided at the lower level of the orifices of the burner so that the secondary air does not suddenly reach the base of the flame, but is gradually incorporated into said flame.
Thanks to all of these arrangements, it is possible to achieve a significant variation in the outlet speed of the gas mixture depending on the gas streams considered, the secondary air arrives in the burner zone where the gas outlet speed is the most. low; the presence of protective screens avoids the sudden encounter between the secondary air and the flame, in the part where it is most vulnerable.
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Due to these different features, a very high flame stability is obtained, even at very low speeds corresponding, for example, to a pressure difference of 2 mm water column between the inlet and the outlet of the burner. , hygienic operation regardless of the calorific power required, the nature of the gas used and the supply pressure, a great ability to adapt to the various combustible gases that can be used, and finally, a maximum energy yield resulting from the modeling possible from the flame front to adapt it to the object to be heated.
Thanks to their particular structure, it is possible to build very robust burners having great operating flexibility and great flame stability. The shapes of said burners can be modeled according to the different heating problems to be solved, and these burners can, moreover, be supplied with gas of very different characteristics with yields varying little according to the various gases used.
The subject of the invention is also embodiments',., Comprising at least one of the following characteristics and more particularly their different combinations: a) in the case where the orifices of the burner are each formed by a slot, it is produces a variable pressure drop according to the level at which the gas leaves the said slit, by making a slit of constant width and variable depth, b) in a slit-shaped orifice, variable pressure drops are produced, by a baffle disposed at the inlet of said orifice, c) the aforementioned screen has a substantially vertical rim facing the gas outlet orifices, over only a small fraction of the height of said orifices.
The invention will be better understood from reading the following description and examining the accompanying drawings which show, by way of example only, a few embodiments of the invention.
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In these drawings: Figure 1 shows schematically, in elevation, a typical burner according to the invention, Figure 2 is, on a larger scale, a partial section taken along the line II-II of Figure 1, Figures 3 and 4 are views similar to Figure 2 and show two variants, Figure 5 is a partial section taken along line VI-VI of Figure 6, Figure 6 shows an embodiment of the burner with a baffle in front of each gas outlet port, Figures 7 and 8 show, in elevation, two other types of burners according to the invention.
The so-called "pipe burner" shown in FIG. 1 comprises a gas inlet body 1, on which is placed an organ 2 for distributing the gas mixture, surmounted by a plate 3.
The member 2 for distributing the gas mixture has a frustoconical exterior shape and a cylindrical interior shape (see also FIG. 2).
Its wall is crossed by radial slots 4, the width of which is constant, but the thickness of which decreases from the lower part towards the upper part, given the obliqueness of the frustoconical outer face of the body 2. The mixing fillets gas, which enter the body 1, will therefore undergo, passing through the slots 4, different pressure drops, depending on the levels at which they are in said slots. The pressure drop is maximum at the base of the slot, so that the gas outlet speed will be the lowest at the base of the gas mixture distribution member. It is precisely at this point that the arrival of secondary air takes place, it will therefore not tend to affect the stability of the flame.
A substantially horizontal screen 6 surrounds the member 2 for distributing the gas mixture, just at the lower level of the gas outlet slots 4, so that the secondary air does not suddenly attack the base of the flames and is incorporated. gradually to those
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here, always in order not to harm the stability of the flame.
This combination of means, namely: the fact of producing different pressure drops in the height of the slots, so that the gas outlet speed is minimum at the base of the slots, to bring in the secondary air precisely where the speed of the gas streams is minimum and the presence of a horizontal screen 6, at the base of the flame, provides an improvement in stability which is markedly greater than the sum of the improvements which are can be achieved by the separate use of each of these means, as experience has shown.
With a burner such as the one just described, once the operating mode has been established, that is to say when the burner has reached its stationary temperature, it has been observed, with respect to a burner which is not not fitted with screen 6, an improvement increasing the calorific flow rate in mil- lithermies per hour per cm2 of section of the gas outlet of the burner from 1620 to 3090. The screen reinforces the stability of the flames, it is possible to push the heat output far enough before observing the flame take off. By combining the screen system, with the system of slots creating higher pressure drops at the base than at the top, it is possible to achieve, when cold, a heat output greater than 2.000 millithermies per cm2, that is to say, roughly double what we would get without a screen.
The role of the screen 6 can be further reinforced if it is divided into two steps, that is to say if it is provided with a substantially vertical rim 8 (FIG. 4) facing the gas outlet orifices over only a small fraction of the height of said orifices.
As an example, we can give the slits! R a height of 6 mm, a width of 1.5 mm, a depth at the top of 2 mm and an angle of inclination of the outer face of the distributor member of 45, the width of the screen 6 being of the order of 4 mm and the height of the rim of the order of 2 mm.
With the characteristics we have just given, we then exceed 4,000 millithermies per em2 with a cold burner, that is
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in other words, the permissible heat output is doubled.
FIG. 3 shows a variant of the shape of the slot 7 limited, on the outside by a cylindrical surface 11, and on the inside by a frustoconical surface 12 flared upwards.
We observe that, apart from experimental errors, the inclination of the outlet face of the burner is a negligible factor, when the base of the flame is protected by a screen, from the action of the threads of ascending secondary air. Quantitatively, when the angle a in Figure 2 goes from 40 to 45 then to 50, the blowing heat flow varies from 2090 to 2120 to drop to 1960 for an angle of 90.
As the orientation of the outlet face controls the general shape of the burner flame, this shape can be modeled without losing much in the calorific power of the burner, while respecting the conditions of stability, and this particularity makes it possible to model the flame of the burners according to the invention.
It is thus, for example, that one can easily produce burners according to the invention, having the configuration 16 shown in FIG. 7 for a grill burner (the flame being represented at 20 and licking the asperities 21 of the radiating plate), or that shown at 17 in FIG. 8 for a washing machine burner.
It suffices to orient and arrange the burner slits so as to achieve a suitable variation of the gas flow velocities and a suitable orientation of the plane of the exit face of the burner, so that the flame is directed. in the right direction.
The width of the screen placed at the base of the slits plays a large role in the resistance of the flame to blowing. However, as the width of this screen increases, the gain in ± 3 stability is rapidly annihilated by a troublesome secondary phenomenon, namely the lack of ventilation at the base of the falmme. Theoretically, since the flame remains stable for higher heat outputs, the geometric dimensions of the burner could be relatively reduced.
But the gain in power, especially in the case of
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burners supplied with natural gas, which are not with total air injection, is too low compared to the loss of efficiency, combustion can cease to be hygienic and nothing is gained beyond a width of the order of 4 to 5 millimeters for the screen.
The shoulder of the screen as long as it does not interfere with aeration or extend into the flame itself, has a constant effect. But it must be continuous and this makes it necessary to maintain its height industrially around 2 mm for common burners.
The width of the slits, distance between the two planes parai-; The eles which cut the walls of the burner is an important factor in flame stability. When the width of the slits increases, the aeration rate, other things being equal, also increases, as does the stability of the flame when blowing.
However, the tendency to backfire is also increasing, and in the case of burners which can be supplied either with town gas or natural gas, the width of the slots of 1.5 mm represents an acceptable compromise under the conditions. customary use of these two gases.
The volume of the burner chamber, upstream of the slots, has no influence on the stability of the flames on blowing or return of flames, provided that the air-gas mixture has been able to take place in a homogeneous manner.
It can be seen that, for a large variation in the speed of an individual burner, the flame front remains stable, which makes it possible to obtain a constant calorific output without harming the qualities of the flame. This flame front can easily be oriented, taking advantage in particular of the fact that for slots of the type in FIG. 2, the characteristics of the burner change little with the orientation of the outlet face of the burner.
A variation of the pressure drop can be achieved at the different levels of the gas outlet orifices by means other than by varying the width of the slot and, for example, by means of baffles, for example baffles in point shape 18,
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as shown in FIGS. 5 and 6, said baffles being disposed inside the gas distribution member, in front of the entry of the slots 19 which, in this example, are of constant width.
Preferably, however, for construction convenience, the baffle system may be constructed as a crown placed behind the slits.
Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown which have been given by way of examples, it is possible to make numerous modifications accessible to those skilled in the art, without departing, for this within the scope of the invention.