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" perfectionnements apportés aux générateurs de chaleur "
Le présent perfectionnement est relatif aux générateurs de chaleur du type comprenant un ensomole constitué par une chambre de combustion et un brûleur et formant una oonstruc- tion monobloo, à laquelle un combustible liquide oa gazeux est amené sous pression, en vue de sa combustion, la chaleur développée étant utilisée directement ou étant appliquée à un éohangeur de chaleur, comme décrit dans le brevet prinoi- pal 590.462.
On connaît l'application de cette dernière version au chauffage de l'espace. Un générateur de chaleur classique, destiné à cet usage, exige au moins 25 lba. d'air pour 1 lb. de combustible, pour permettre la combustion complète de ce dernier ; d'autre part, on obtient un rendement oompris entre 70 et 80 pour-cent environ avec une chambre de combustion et
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un échangeur de chaleur d'uno conception judiciouaa et de proportions pratiques.
On sait que le rendement de la plu-
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part des brulaura connus sa situe au-dessous du rendement trcoriqua maximal de 86 pour-oant environ, lequel no peut être attoint de façon économique en raison des dimensions excessives de l'échangeur de chaleur et des facteurs ex-
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térioura affectant la combustion. les chiffres de rendoment cit.3 plus haut et ailleurs au cours de la présente descrip- tison sont basés sur le pouvoir calorifique brut du oombus- tible .
La prèsente invention a pour but d'établir un géné- rataur de chaleur du type ci-dessus, qui présente des parti-
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cularitcs permettant d'obtenir rapidement une combustion stable, propre et complète et d'entretenir cette combustion avec une marre d'excédent d'air sensiolament réduite compa-
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rativ66nt aux appareils connus do forme classique. Un tel genérataur de chaleur se caractérise par un rendement plus élevé da la combustion. Pe plus, lorsqu'il fonctionne avec un écungeur de chaleur incorporé en vue du chauffage de l'espace, il possède un "ndeuant de 3 pour-cont à 4 pour-oent plus élevé que celui des appareils classiques connus de la
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mu'me espèce et fonctionnant avec la môme température de gaz brûlés.
Un autre objet de la présente invention ost d'éta-
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blir un générateur de chaleur produisant une flajuao auto- -entre tenue qui permet d'éliminer l'emploi de matières ré- fractairea et qui engendre des produits de combustion d'un faible voluma et d'une température élevée, comparativement aux appareils connusd'une puissance nominale équivalente.
On obtient ainsi des taux élevés de transmission de chaleur
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avec des échangeurs de chaleur incorporés de faibles dimen- sions, tandis que les dimensions globales, le poids et le prix de revient du générateur de chaleur et des organe
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connexes sont réduits comparativement à ceux des appareils
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classiques connus.
Un autre ob-iet de l'invention consiste à réaliser un générateur de chaleur tel que spécifié plus haut, qui soit susceptible da brûler un combustible avec
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un rendement égal dans une largo ga.ma d'allures de fono- tionnement, ainsi qu'à éliminer plusieurs facteurs, tels que la sensibilité vis-à-vis des influences extérieures qui, dans les brûleurs classiques, entraînent des fluotuations da rendement on régime normal, una diminution progressif du
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rendront et uns détérioration des élémonts constitutif3 du brûleur.
L'invention a en outzej pour but d'établir un générateur de chaloir tel quo spécifié plus haut, dans le-
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quel l'allure de la combustion s'établit rapidsmont, do sort*) quo la oombustjon peut être amorcée ait interrompus arbitraironsnt pour des laps de temps réduits, ce qui per- n.et d'obtenir un débit de chaleur modulé, sans sacrifier le rendement de la combustion.
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Suivant l 'invention, il si; prévu an ,3r.éraeur d3 chaleur caractérisé en ce qu'il comprend : une ohaabra de combustion limitée par une paroi; un orifice do sortie pour les produits de la combustion, prévu à une ex-
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tréirité de ladite chambre do combustion; au moins un groupe d'orifices d'entrée d'air, prévus dans ladite paroi; une chambre à brûleur limitée par une enveloppe ot ferz.6e à une extrémité, l'autre extrémité de cette chambre d brâlour se raccordant à ladite paroi par un élCv,t3nt d3 clôtura four- mant joint M1ormétiqoo aveo cette dernière, ladite chambra à brûleur N'ouvrent vers ladite chambre de combustion; au moins un groupa d'orifices d'entrée d'air, prévus dans la-
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dite enveloppa;
au moins un conduit errm oloppant, pour four- nir de l'air sous pression auxdits orificea d'admission d'air; des déflecteurs adjoints auxdits orifices d'admission
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...1 ¯\f ILl ....., d'air, pour diriger l'air affluant dans ladite chambra do combustion et ladite enveloppa, ro3pect1veent, de manière que l'air forme des tourbillons daia cette ohambre et cotte enveloppe, la disposition étant telle que l'air tournoie en sons opposés dans ladite chambre de combustion et ladite enveloppe, respectivement; et un inducteur à combustible
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r.on4.-é au voisinage de l'extrémité fors,ée de ladite enveloppe.
Un générateur de rhaleur bal que décrit oi-desoua peut comprendre une chambre de combustion limitée par un paroi verticale de force cylindrique et dont l'extrémité supérieure aat munie d'un conduit d'évacuation tronconique, tandis qu'à non autre extrémité cette chambre est pourvue d'une extension cylindrique ayant un diamètre inférieur à celui de la paroi
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de la chambre de cc#but1on, ladite enveloppa étant fixée dans on orifice circulaire prévu dans un élément de olt3ture annulaire, ce dernier élément étant fixé à l'extrémité infé- rieurs de la paroi de la chambre de combustion, la paroi oy-
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lindrique de la chan bre de combustion étant pourvue d'un ou de plusieurs groupo3 do fontsa à ailettes, disposés dans le sans périphérique,
ces fentes étant préVL1B pour l'admission de l'air comburant, en lui imprimant un mouvement tourbillon- naire à l'intérieur de la chambre de combustion, ladite en- veloppe cylindrique étant également munie d'un ou de plusieurs groupes d'orifices d'admission à ailettes, disposés de manière à favoriser une giration tourbillonnaire dana un sens opposé à celui des tourbillons produits dans la chambre de oombus- tion et suivant un diamètre inférieur à celui de ces derniers, lesdits orifices d'admission d'air étant entourés d'une ou de plusieurs chemises annulaires formant un;ou plusieurs conduits d'arrivée d'air, afin dtassurer l'admission, auxdits orifices, de l'air venant d'une ou de plusieurs sources à haute pression.
Dans co mode de réalisation, ladite enveloppe cylindrique est
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obturée par un disque à son extrémité opposée audit élément tronconique, un injecteur à combustible étant monté au voi- sinage dudit disqua, pour assurer l'admission de combustible floua pression à partir d'une pompe à combustible, des élec- trodos d'allumage étant montées à proximité dudit injecteur à combustible, dans le but d'allumer le combustible de la manière oonnua en soi.
Un second élémest tronconique est avantageusement disposé à l'extrémité de ladite enveloppe oylindrique, à l'opposé dudit disque, afin d'acosntuer la turbulence du l'air sortant de ladite enveloppe cylindrique et de favoriser une interaction intense, par l'opposition des sens do giration, aveo les tourbillons de plus grand diamètre, engendrés dans la chambre de combustion par les- dits orlfioes à ailettes, prévus dans les parois de cotte ohambre .
Un générateur de chaleur suivant la présenta invention oomporte un système essentiellement nouveau d'amenée d'air comburant, à savoir, en ce qui concerne l'emplacement, la vitesse, la distribution et la température , ce générateur fonctionnant, lorsqu'il brille un combustible liquide, avec seulement 16 1bs. d'air de oombuation par lb. de combustible, alors qu'au moins 25 Ibs. sont requis pour un appareil connu de type classique. Un générateur de chaleur construit sui- vant l'intention et alimenté en combustible gazeux fono- tionne avec un excès d'air oomburant infériaur à 15 pour-cent au minimum théorique requis pour une combustion complète.
Un mode d'application do la présente invention prévoit l'adjonction d'una chambre d'échange thermique entourée d'un système d'alimentation distinct en air sous pression, de mi- nière à déterminer une absorption de la chaleur à travers les parois dudit générateur de chaleur et de ladite chambre d'échange thermique, ainsi qua 1'évacuation ultérieure de la
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chaleur, en vuo do sa distribution, à partir d'une carcasse enveloppante. Dans un tel modo d'application, la chambre de combustion communique avec une chambra d'échange de chaleur comportant une doubla paroi, de forme annulaire, diapoaéo auteur du générateur de chaleur, la tout étant monté à la partie supérieure de la carcasse extérieure,
dans la partie inférieure de laquelle est monté un ventilateur à air, par laquai l'air est rofoulé vers l'extrémité inférieure d'un générateur de chaleur et autour do celui-ci, ainsi que vera la chambre d'échange thermique connexe, pour aboutir à l'orifice de sortie de distribution.
Dans le cas d'un oombustible liquide, la densité calo- rifique peur l'appareillage de combustion employé pour le chauffage de l'espace est de 15.000 à 50.000 Btu (British Thermal Units)/hr par pied cube d'espace de chambre do com- bustion, tandis qu'en appliquant dans ce domaine l'objet de la présenta invention, on a pu obtenir des densités calori.- fiques voisinas de 500.000 Btu/hr par pied aube. Do plus, dans une telle application d'un générateur de chaleur établi suivant la présente invention, les dimensions globales de l'unité complète sont beaucoup moindres, en termes do volume occupé, que les dimensions des unités connues, d'une même puissance calorifique.
Afin que l'invention puisse être mieux comprise et aisément mise en oeuvra, on se reportera ci-après aux des- sins annexés, dans lesquels
La Fig 1 représente schématiquement, en coupe verti- cale, un mode do réalisation d'un générateur da chaleur fonctionnant à l'nuile, construit conformément à la présent* invention.
La :'ig 2A est une moitié d'une vuo en coupe horizon- tale suivant les lignes II-II de le Fig 1.
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La. Fig 2B est une moitié d'une vue en coupe horizontale d'une variante de construction du générateur de chaleur re- présenté dans la ?ig 1.
La Pig 3 représente schématiquement, an ooupe verticale, un autre mode de réalisation d'un générateur de ohalour fonc- tionnant @ l'huile, construit suivant la présente invention; et
La Fig 4 est une vue en coupa d'un tel appareil, suivant la ligne IV-IV de la Fig 3.
On se reportera ci-après aux Figs 1 et 2A, qui repré- sentent un générateur de ohalaur, dans lequel on a adopté une construction monobloo comportant une chambre de combustion 1 limitée par une paroi cylindrique verticale 2, dont l'extré- mité supérieure présente un prolongement tronconique 7, de ma- nière à constituer un conduit d'évacuation 8 pour les produits do la combustion.
L'extrémité inférieure de la chambre de combustion 1 est fermée par une paroi limite lOb, tandis que l'enveloppe cylindrique 12, qui limita une chambre à brûleur, est forcée à son extrémité inférieure par une plaque d'obturation oir- culaire 11. A la paroi 1 de la chambre de combustion est ad- jointe uno chemisa enveloppante fermée 3a formant un conduit annulaire 5a, qui communique avec un conduit 9a venant d'une source d'air sous haute pression (non représentée). A l'en- veloppe cylindrique 12 est adjointe une chemise fermée 3b, qui forme un canal annulaire 5b, communiquant aveo un con- duit 9b venant de la même source d'air sous haute pression.
Dans la paroi 2 de la chambre de combustion sont formé 3 deux groupes de fontes 14. disposés de façon périphérique, chaque fonte étant pourvue d'une ailette 14a qui s'avance on sail- lie vers l'intérieur, à partir de la paroi cylindrique 2, en formant un angla aveo la périphérie. Les fentes 14 sont en communication aveo le passage annulaire 5a.
Dans la paroi
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de l'enveloppe cylindrique 12 sont formées des tentes 15, dont chacune est pourvue d'une ailette 15a, qui s'avance on saillie vers l'intérieur à partir do la paroi cylindrique de l'enveloppe 12, en formant un angle avec la périphérie de cette paroi. les tentas 15 sont en communication avec le passage annulaire 5b. Les ailottos 14a sont disposées de ma- nièrs à angandrer, à l'intérieur de la chambure de combustion 1, une turbulence de l'air de combustion issu du passage an- nulaire 5a et dont le sens do giration est opposé à celui d'un tourbillon d'air comburant, engendré de la même manière par les ailattea 15a.
La plaque d'obturation 11, prévue au fond de l'enveloppe cylindrique 12, supporte un ajutage à combustible 16, de construction connue, alimenté en oombua- tibla liquide sous pression, des électrodes d'allumage 17 étant égaleront montées sur la plaque termine).11, dans le but d'amorcer la combustion d'une manière connue en soi.
L'injecteur ou brûleur 16 se trouve ainsi d proximité de l'extrémité fermée de l'enveloppa 12.
Dans la variante de construction représentée dans la Fig 2B, les ailettes 14a, au lieu de faire saillie vers l'intérieur de la chambre de combustion 1 , s'avancent en saillie vers l'extérieur, à partir de la paroi cylindrique 2, on formant un angle avec la périphérie. De même, les ailettes15a peuvent aussi être disposées de manière à faire saillie vers l'extérieur, au lieu d'être orientées vers l'intérieur.
Dans les Figs 3 et 4 des dessins annexés - auxquel- les on se reportera ci-après et qui représentent un autre mode de réalisation d'un générateur de chaleur construit suivant la présente invention - on a adopté uno oonstruo- tion monobloo comportant une chambre de combustion 1 limi- téo par trois parois cylindriques 2,3 et 4, formant entre
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elles deux espaces annulaires 5 et 6. La paroi extérieure 4 est pliée vers l'intérieur et rejoint le bord périphérique de la paroi 2, pour se prolonger entité, à sa partie supé- rieure, de maniér3 à former une extension 7 de la chambre de combustion, en constituant un orifice d'évacuation 8 pour les produits de la combustion.
L'extrémité inférieure de la ohambre de combustion 1 constituée par la paroi intérieurs 2 est fermée à sa partie inférieure par un élément terminal 10 de force tronconique renversée, tandis qu'une enveloppe cylindrique 12 renferme une chambre à brûleur et est fermée à son extrémité infé- rieure par une plaque terminale ciroulaire 11. La paroi intermédiaire 3 est ouverte à sa partie supérieure, afin de permettre une communication entre les espaces annulaires 5 et 6, et rejoint la plaque de fermeture ou terminale oir- culaire 11 par l'intermédiaire d'un élément de clôture an- nulaire 13.
L'espace limité par la paroi extérieure 4 est fenné par une paroi 4a, située à une certaine distance au-dessous de l'extrémité inférieure de l'enveloppa cylindrique. 12, des moyens étant prévus pour constituer une arrivée d'air 9 aboutissant au passage annulaire extérieur 6.
La soufflerie à air de combustion, raccordée au con- duit 9, refoule de l'air vers le haut, par la passage 6, puis vers le bas, par le passage 5, une partie de l'air comburant entrant à travers les fentes 14, des ailettes 14a étant pré- vues afin d'engendrer un tourbillon d'un sens donné dans la chambre de combustion 1. L'air qui entre dans l'enveloppe cylindrique 12 à travers les fontes 15 se voit imprimer un mouvement tourbillonnaire dans le sens opposé, au moyen d'ailettes 15a, qui font saillie vers l'extérieur.. à partir de la paroi do l'enveloppe 12, en formant un angle aveo la
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périphérie de cette paroi. De l'air additionnel entre dans la chambre de combustion à travers dos perforations d'admis- 31,on 10a, pratiquées dans le pourtour de la paroi conique 10.
La plaque terminale oirculaire 11 supporte un ensemble formant injooteur de combustible liquide et comportant un ajotage 16 de construction oonnuo, alimenté en combustible liquide sous pression, des électrodes d'allumage 17 étant paiement fixées à la plaque terminale 11, pour assurer la mise en marohe de la combustion. Ici également, l'ajutage 16 est situé à proximité de l'extrémité fermée de l'enveloppe 12.
Des ailettes de guidage 16, de forme hélicoïdale, peuvent âtre interposées dans les espaoes annulaires 5 et 6, afin de favoriser un préchauffage à flux opposés de l'air de oombus- tion et, par conséquent, un refroidissement des parois du gé- nérateur de chaleur, ainsi qu'une transmission finale de la chaleur à l'extérieur, à travers la paroi extérieure 4.
Une série de trous 19 sont disposés autour de l'axe de la plaque terminale circulaire 11, afin de permettre le passage de la lumière provenant do la flamme de la combustion, dans le but d'exciter un pyrostat de sécurité photoélectrique, monté dans l'espace 20, Ce pyroetat de sécurité photoéleotri- que fonctionne d'une manière connue en soi.
Le tournoiement d'air produit par les ailottes 14a engendre un tourbillon extérieur d'air de combustion à l'in- térieur de la chambre de combustion, tandis que lesailettes 15a produisent un tourbillon intérieur d'air de combustion, d'un sons de giration opposé à celui du premier, le noyau du tourbillon intérieur formant une zone stabilisée, propice à la propagation de la flamme du combustible sortant de l'aju- tage 16, comme il est connu en soi. Simultanément, le tour- billon favorise l'homogénéisation et la turbulence du combus- tible et de l'air, tout en assurant un mélange pauvre en
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combustible à proximité de la paroi intérieure 2, afin d'em- pêcher qu'une combustion n'ait lieu à proximité do la surface de ladite paroi 2.
L'emplacement et la fonction des orifices d'admission d'air constitués par les faites 14 et 15, les ailettes 14a et 15a et, dans le mode de réalisation représen- té dans las Fige 3 et 4, les perforations d'admission 10a, sont essentiels au fonctionnement du générateur de chaleur suivant l'invention. En oe qui concerna cette dernière parti- cularité, l'air se dirige vers l'intérieur à travers les perforations 10a, à angle droit par rapport à la direction du mélange tournoyant de combustible et d'air émanant de la partie inférieure de la chambre de combustion, la mélanga da combustible et d'air ooopérant, ici également, aveo l'air comburant en giration admis à travers les orifices 14.
L'interaction ontre le jet de combustible et les cou- rants d'air de combustion à allure préfixée dorme lieu à une diffusion turbulente intense, et l'on obtient un front de flamme auto-stabilisé, quel que soit la débit, dans de très larges limitas, oe qui permet d'éliminer les organes tels qu'étaleurs de flamme, chicanes, stabilisateurs, et analo- gues, qui doivent être calculés pour un débit fixe.
La tem- pérature élevée et l'épaisseur du front de flamme stable ainsi produit sont telles quo les grosses gouttas de oombus- tible se vaporisent et se oonsument dans les limites du ga- barit du front de flamme. né
L'effet final obtenu consiste en une homogé isation optimale du combustible et de l'air comburant préchauffé à l'intérieur de la zone do combustion, ce qui produit une combustion autonome intense et stable sous un faible volume de combustion, comparativement au matériel classique d'une capacité équivalente. L'allure de la combustion étant auto- nome et indépendante des effets réfractaires des parois
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limites de la chambre de combustion, s'établit instantanément, facteur dont on peut tirer parti en adoptant des périodes de chauffage de courte durée.
Les caractéristiques de la combustion réalisée grâce au générateur de chaleur construit suivant la présente inven- tion sont telles que celui-ci peut fonctionner avec dea allu- res de combustion qui ne représentent que dix pour-cent du maximum, sana perte de stabilité ou d'efficacité.
Il peut s'avérer avantageux de pratiquer dea perfora- tions cana la paroi intermédiaire cylindrique 3 des passages de préchauffage 5 et 6, afin d'établir un certain degré do communication entre ces deux passages, de façon à éviter des gradients de température excessifs dans la paroi intérieure de la chambre de combustion.
Les températures élevées existant dans la zone de la chambre de combustion et l'absence de combustion au wisinage immédiat de la paroi intérieure 2, de la partie oonique 10 et de l'enveloppe cylindrique 12, empêchent l'encrassement . En considérant que la calamine est hygroscopique, le générateur de chaleur n'est pas attaqué par les effets corrosifs habi- tuais, qui accompagnons la formation de carbone.
Lorsque l'appareil fonctionne aveo un combustible liquide, la tendan- ce que pourrait avoir le beo du brûleur à laisser tomber des gouttes après l'arrêt est réduite au minimum grâce aux tempé- ratures extrêmement élevées qui subsistent assez lonctemps que pour favoriser la combustion immédiate des dernières par- ticules de combustible admises.
Un déflecteur annulaire 21, de forme conique, peut être fixé à la partis supérieure de l'enveloppa cylindrique
12, dans le but de contrôler la combustion dans la région 22.
Dans un modo de réalisation du générateur de chaleur construit suivant la presente invention et appliqué au
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chauffage de l'espace, conjointement avec un échangeur de chaleur qui s'y rattache, et fonctionnant au combustible li- quide, on peut obtenir et maintenir des rendements globaux en régimo normal, pratiquement réalisables, supérieurs à 84 pour-oent--, basés sur le pouvoir calorifique supérieur du combustible, oe résultat pouvant Stre obtenu avec un encom- brement tridimentionnel inférieur à celui qui serait néces- saire avec un équipement classique.
Les dimensions relati- vement réduites de la zone de combustion contribuent avan- tageusement à la réduction des dimensions et des frais de fabrication de la carcasse ou enveloppe extérieure, tandis que loa températuresde régime, jointes au contenu volumé- trique réduit des produits de la combustion, rendent possi- ble le transfert de chaleur désiré, dans un appareil échan- geur de chaleur rattaché au générateur de chaleur et pré- sentant des dimensions notablement réduites comparativement au matériel connu, de forme classique, diane puissance équi- valente et où. les gaz sortent à la même température vers la cheminée d'évacuation.
Le comportement de l'appareil suivant l'invention est essentiellement inaffscté par les variations dos conditions extérieureambiantes, telles que le tirage. D'autre part, le maintien du rendement de l'appareil est automatique et ne dépend pas du personnel.
Un générateur de chaleur construit suivant la présente invention peut être monté et fonctionner suivant n'importe quel angle et n'importe quelle position, ce qui procure une souplesse dans l'emploi et dans le choix de la meilleure forme de l'enveloppe. De plus, dans certains cas, l'appareil peut Stre complètement renverse, de façon que le brûleur se trouve au-dessus et la sortie 8 de? produits de combustion se aitue au-des3ous.
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Le système a été étudié de telle façon que le retour de flamme, qui se manifeste dans le matériel classique, soit entièrement éliminé. Caoi est dû au fait que la chambre de combustion oat mise en pression par une soufflerie à hauto pression, cotte situation étant garantie par le fait que tant la prossion statique que la charge de vitesse de l'air comburant contribuent à étouffer toute tendance à retour de flamme.
Les dimensions relativement réduites du générateur de chaleur exempt de matière réfractaire, construit suivant la présente invention, de marne que d'une chambre d'échange de chaleur qui pourrait être adjointe à ce générateur, assu- rent une diminution de l'inertie thermique de l'appareil, d'où réduction du temps de réchauffage.
L'emploi du générateur de chaleur construit suivant la présenta invention n'est paa limité aux applications de chauffage d'espace, étant donné que l'on peut envisager de nombreuses autres applications de oe générateur, par exemple, l'utilisation directe de la chaleur utile en vuo du sécnage de matières, du séchage dans les procédés industriels, ainsi que pour le chauffage de fours et fourneaux, de môme que pour d'autres usages indirects comportant des échangeurs de chaleur visant à favoriser l'utilisation da la chaleur et de l'énergie.
En outre, l'emploi du générateur de ohuleur n'est pas limité à l'appareillage stationnaire, étant dôme que les dimensions et le poids réduits par rapport à l'énergie calo- rifique produite, permettent d'utiliser ce générateur sous la forme d'un matériel portatif, pour diverses utilisationa anal ogue s .