La présente invention se rapporte à un chauffe-eau à combustion dont la combustion se produit à l'intérieur d'un pulsoréacteur.
On a déjà proposé de réaliser un chauffe-eau à l'aide d'un brûleur à combustion pulsatoire. Des travaux dans ce domaine ont été entrepris depuis plusieurs années. L'intérêt des brûleurs à combustion pulsatoire réside dans leur rendement thermique élevé.
Ils permettent de réaliser une construction relativement simple par la suppression d'un dispositif d'alimentation en air sous pression.
Toutefois, ce mode de combustion engendre un bruit trés important qui le rend impropre à l'utilisation dans des appareils domestiques.
Plusieurs solutions ont été proposées jusqu'ici pour remédier à cet inconvénient. Parmi ces solutions, on a fait précéder ou suivre la chambre de combustion par des résonateurs dont la fréquence de résonance est considérablement plus basse que celle du brûleur à combustion pulsatoire, afin d'agir comme résonateurs de barrage.
Ces résonateurs sont conçus comme des chambres à faible inertie acoustique, garnies de matériaux absorbants tels que la laine minérale. Ces résonateurs ont pour effet de réduire rapidement la pression acoustique et d'absorber ainsi une partie du bruit dans la cavité du résonateur. L'inconvénient de l'effet de barrage et d'absorption réside dans la réduction sensible de la régularité de l'oscillateur acoustique qui entretient la combustion pulsatoire. C'est la raison pour laquelle les facteurs d'amortissement des organes participant à l'oscillation et à la combustion doivent être réduits au minimum.
Pour éliminer les défauts de cette solution, on a proposé de placer une chambre à forte inertie acoustique à l'intérieur d'un silencieux d'aspiration, en liaison ouverte avec celui-ci, I'ouverture d'admission du tube d'aspiration du brûleur pénétrant dans cette chambre.
L'action réfléchissante de la chambre est due à ses parois lisses.
Cette action réfléchissante renforce voire améliore les conditions d'oscillation du côté aspiration de la chambre de combustion.
Toutefois, la réduction du bruit obtenue par cette action réfléchissante n'est pas suffisante. C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de placer cette chambre réfléchissante dans un silencieux. Ce silencieux se présente sous la forme d'un carter garni d'un matériau acoustiquement absorbant. Cette solution conduit à un chauffe-eau relativement volumineux et cher.
Dans un systéme à combustion pulsatoire, il existe trois modes de transmission d'une énergie sonore à l'environnement. Il s'agit de la mise en vibration de l'air par les ondes de pression sortant par l'orifice d'échappement, de la mise en vibration de l'air par les ondes de pression sortant par l'orifice d'admission et du rayonnement de bruit par la structure de l'appareil.
La solution idéale est celle qui permet d'avoir une intensité des ondes de pression aussi élevée que possible à l'intérieur de l'appareil, tandis qu'aucune énergie n'est transmise à l'extérieur. Pour obtenir ce résultat, les ondes de pression doivent être entièrement réfléchies lorsqu'elles arrivent aux limites de l'appareil.
Le but de la présente invention est précisément de réaliser un chauffe-eau à combustion pulsatoire dont la structure permet d'obtenir un amortissement important du bruit principalement par réflexion des ondes de pression, sans augmenter exagérément le prix et le volume de l'appareil.
A cet effet, la présente invention a pour objet un chauffe-eau à combustion dont le brûleur se présente sous la forme d'un pulsoréacteur, présentant des moyens pour atténuer l'intensité du bruit émis par le pulsoréacteur. Ce chauffe-eau est caractérisé par le fait que ces moyens comprennent au moins un résonateur de Helmholtz accordé au moins sur la fréquence propre fondamentale du pulsoréacteur et branché latéralement au tube d'aspiration et/ou d'échappement et au moins un dispositif d'atténuation situé en amont respectivement en aval du résonateur de Helmholtz branché au tube d'aspiration et/ou d'échappement pour absorber au moins une partie de l'énergie acoustique résiduelle non réfléchie par ledit résonateur.
L'avantage de la présente invention réside principalement dans le fait que la réflexion des ondes de pression est obtenue à l'aide d'un ou plusieurs résonateurs branchés latéralement au tube d'aspi
ration et/ou d'échappement. Cette disposition permet de prolonger
les tubes d'aspiration et/ou d'échappement en amont, respective
ment en aval du ou des résonateurs, et rend, par conséquent possible,
la mise en place d'autres dispositifs destinés à absorber au moins
en partie l'énergie acoustique résiduelle non réfléchie par le réso
nateur, sans placer l'ensemble de l'appareil dans un silencieux
comme dans la solution susmentionnée. Cette énergie acoustique
résiduelle est constituée par les fréquences parasites , c'est-à-dire
les fréquences différentes de la fréquence fondamentale.
Etant donné la réflexion provoquée par le branchement latéral du ou des
résonateurs de Helmholtz, les dispositifs destinés à absorber au
moins en partie l'énergie acoustique résiduelle n'affectent pas sen
siblement le phénomène de résonance à l'intérieur du système pul
sant proprement dit. En outre, le branchement latéral du ou des
résonateurs de Helmholtz au tube d'aspiration et/ou d'échappe
ment n'entraîne pas de perte de charge trop élevée de sorte que la
combustion pulsatoire peut se produire dans de bonnes conditions
La solution proposée ici est simple. Les mesures préconisées
pour atténuer le bruit du pulsoréacteur permettent de réaliser
un appareil relativement bon marché et compact.
Le dessin annexé représente, très schématiquement et à titre
d'exemple, une forme d'exécution du chauffe-eau objet de la présente
invention.
La fig. 1 est une vue d'un schéma de principe de cette forme
d'exécution.
Les fig. 2 à 4 représentent différents diagrammes relatifs aux
effets des résonateurs et des filtres auxiliaires sur la transmission
des ondes de pression.
Le schéma du chauffe-eau représenté par la fig. 1 comporte un
pulsoréacteur 1 formé essentiellement d'une chambre de com
bustion 2 munie d'un tube d'admission 3 et d'un tube d'échappe
ment 4. Ce tube d'admission est muni d'une valve aérodynamique 5
constituée par une partie évasée, délimitée par un tronc de cône ou
un évasement formé par un arc de cercle. Le rôle de cette valve
aérodynamique est de créer une résistance plus forte au fluide
sortant qu'au fluide entrant. Le tube d'admission pénètre à
l'intérieur de la chambre de combustion et renferme un injecteur
principal 6, relié à une source d'alimentation en gaz (non repré
sentée). Une électrode d'allumage 7 disposée vis-à-vis d'une contre
électrode 8, est reliée à une bobine d'allumage 9 alimentée par une
batterie 10. Bien entendu, on peut imaginer l'utilisation d'autres
dispositifs d'alimentation à tension élevée.
La majeure partie du pulsoréacteur, notamment sa chambre de
combustion 2 et son tube d'échappement 4, sont entourés par
une enceinte 11 de chauffage de l'eau reliée, par un conduit 12,
à une source d'alimentation d'eau froide (non représentée) et
munie d'un conduit de sortie 13 pour l'eau chaude.
Les tubes d'admission 3 et d'échappement 4 sont prolongés en
amont, respectivement en aval. Chaque prolongement de ces tubes
d'admission et d'échappement comporte, en s'éloignant du pulso
réacteur vers l'amont, respectivement l'aval, un résonateur de
Helmbolta 14, 14' branché latéralement. Ces résonateurs com
portent chacun une chambre 15, 15'. Ces deux chambres sont mises
en communication avec les prolongements des tubes d'admission
et d'échappement par deux conduits de connexion respectifs 17, 17'.
Lorsque l'on place latéralement le long d'un tube un résonateur
formé par une cavité et un conduit de connexion, et que des ondes
de pression sont émises dans le tube par une source située à une
extrémité du tube, on peut démontrer que, si la distance 1 séparant
le résonateur de la source est égale au quart de la longueur de
l'onde incidente, une onde stationnaire est créée. Cette onde a la
même forme que dans le cas d'un tube ouvert. Au-delà de la
jonction du conduit de connexion avec le tube, la pression acous
tique et le déplacement de fluide sont égaux à zéro, pour autant
que la fréquence propre du résonateur soit égale à la fréquence
des ondes considérées.
Ceci signifie que tout l'écoulement se déplace
alternativement entre le tube et la cavité, par l'intermédiaire du conduit de connexion, sans qu'il y ait d'écoulement au-delà de la jonction du tube et du conduit de connexion.
La fréquence propre de ces résonateurs se calcule au moyen de la formule suivante:
EMI2.1
dans laquelle: f11 = fréquence propre du résonateur de Helmholtz
C =vitesse du son
C =340 m/s à l'entrée et 390 m/s à la sortie du pulsoréacteur section du tube de connexion lff' =longueur corrigée du tube de connexion H =l,f0,86 DH 111 longueur géométrique du connecteur D11 = diamètre du tube de connexion VH = volume de la cavité résonnante.
Pour avoir une bonne efficacité, de tels résonateurs ne doivent offrir qu'une très faible résistance au mouvement alternatif du fluide. Cette résistance Rv est donnée par l'expression:
Rv= 2 p3co,8111 3:D t, = fréquence circulaire (o=2nf) rl=viscosité dynamique p = densité.
Pour la fréquence de résonance du résonateur, le rapport de transmission P, où p énergie transmise au-delà du résonateur énergie de l'onde incidente est donné par:
EMI2.2
où S, est la section de la conduite sur laquelle est placé le résonateur.
Au cours d'essais, on est arrivé à une atténuation de 32 dB, ce qui signifie que 0,6%o de l'énergie des ondes venant du pulsoréacteur n'est pas réfléchie et passe au-delà du résonateur de
Helmholtz.
Pour des fréquences différentes de la fréquence de résonance, le rapport de transmission a l'allure générale des courbes I et II représentées sur le diagramme de la fig. 2. Ces deux courbes I et II se rapportent à deux valeurs respectivement élevées et faible de la résistance Rv.
Pour atténuer les fréquences différentes de la fréquence de résonance des résonateurs 14 et 14', on a placé deux filtres
18, 18' en amont, respectivement en aval de ces résonateurs. Ces filtres 18 et 18' sont des filtres à résonateurs qui comportent chacun
16 résonateurs de Helmholtz.
Les filtres à résonateurs sont destinés à atténuer les ondes dans la gamme des basses fréquences. Dans cet exemple, cette gamme est comprise entre 60 et 400 Hz environ. Ces filtres atténuent donc également les ondes de fréquence fondamentale du pulsoréacteur, qui est de 158 Hz dans cet exemple, transmises au-delà des résonateurs de Helmholtz 14 et 14'.
Les filtres 18 et 18' schématiquement représentés sur la fig. 1 sont séparés les uns des autres par des cloisons annulaires 19, 19'
et leur paroi extérieure est formée par un tube 20, respective
ment 20'. Quatre tubes de connexion 21 respectivement 21' relient
chaque cavité ainsi formée aux prolongements des tubes d'aspiration
respectivement d'échappement.
Etant donné que ces résonateurs ont des dimensions plus faibles que les résonateurs 14, 14', leur résistance Rv est plus élevée. Par conséquent, leur efficacité est plus faible à la fréquence de résonance, mais plus élevée lorsque le rapport f/fH s'éloigne de l'unité, comme on peut le constater sur le diagramme de la fig. 2.
Deux filtres en matériaux absorbant 22, 22' sont placés en amont, respectivement en aval des filtres à résonateurs 18, 18'. Ces filtres ont pour fonction d'atténuer les ondes de fréquences moyennes et élevées. Ils sont constitués par un simple tube garni intérieurement d'une substance absorbante telle que de la laine de verre, de la laine minérale, du feutre.
L'effet d'atténuation de tels filtres peut être estimé au moyen de la formule suivante:
A=lOS.Ut. a1,4
St dans laquelle
A = atténuation en dB par mètre linéaire de filtre U, = périmètre de passage (cm) a =coefficient d'absorption
S, = section (cm2)
Pour un matériau donné, le coefficient a dépend de l'épaisseur et de la fréquence. De façon générale, l'absorption est faible pour les basses fréquences et atteint son maximum vers 1000 Hz. C'est ce que représentent les courbes a et et 4 représentées sur le diagramme de la fig. 3. Ces courbes expliquent d'ailleurs pourquoi il est nécessaire de compléter un tel filtre à matériau absorbant par un filtre à résonateurs, de construction plus compliquée.
Le calcul montre que Fatténuation à 1000 Hz et au-dessus est de 60 dB/m alors qu'elle n'est que de 7 dB/m à 125 Hz. Il serait alors nécessaire d'utiliser un filtre de plusieurs mètres de long pour obtenir l'effet recherché.
Le diagramme de la fig. 4 montre l'effet d'atténuation théorique obtenu à l'aide des filtres à résonateurs et des filtres à matériau absorbant. La zone A sur ce diagramme est celle où le filtre à résonateurs a une action prédominante, tandis que la zone B correspond à Faction prédominante du filtre à matériau absorbant.
Des essais effectués avec un appareil présentant la configuration générale de celui que l'on a décrit en relation avec la fig. 1 ont montré qu'il est possible à l'aide de ces éléments de réduire le bruit du pulsoréacteur à un niveau acceptable.
The present invention relates to a combustion water heater, the combustion of which takes place inside a pulsejet.
It has already been proposed to produce a water heater using a pulsating combustion burner. Work in this area has been undertaken for several years. The advantage of pulsating combustion burners lies in their high thermal efficiency.
They allow a relatively simple construction to be achieved by eliminating a pressurized air supply device.
However, this combustion method generates a very high noise which makes it unsuitable for use in domestic appliances.
Several solutions have been proposed so far to remedy this drawback. Among these solutions, the combustion chamber was preceded or followed by resonators the resonant frequency of which is considerably lower than that of the pulsating combustion burner, in order to act as barrier resonators.
These resonators are designed as chambers with low acoustic inertia, lined with absorbent materials such as mineral wool. These resonators have the effect of rapidly reducing the sound pressure and thus absorbing part of the noise in the cavity of the resonator. The drawback of the barrier and absorption effect lies in the significant reduction in the regularity of the acoustic oscillator which maintains the pulsating combustion. This is the reason why the damping factors of the components participating in oscillation and combustion must be reduced to a minimum.
To eliminate the shortcomings of this solution, it has been proposed to place a chamber with high acoustic inertia inside a suction silencer, in open connection with the latter, the inlet opening of the suction tube. burner entering this chamber.
The reflective action of the chamber is due to its smooth walls.
This reflective action reinforces or even improves the conditions of oscillation on the suction side of the combustion chamber.
However, the noise reduction obtained by this reflecting action is not sufficient. This is the reason why it is necessary to place this reflecting chamber in a silencer. This silencer is in the form of a casing lined with an acoustically absorbent material. This solution leads to a relatively large and expensive water heater.
In a pulsating combustion system, there are three modes of transmitting sound energy to the environment. It is the vibration of the air by the pressure waves leaving the exhaust port, the vibration of the air by the pressure waves leaving the intake port and noise radiation from the structure of the device.
The ideal solution is one which allows the intensity of the pressure waves to be as high as possible inside the device, while no energy is transmitted to the outside. To achieve this, the pressure waves must be fully reflected when they reach the limits of the device.
The object of the present invention is precisely to produce a pulsating combustion water heater whose structure makes it possible to obtain significant damping of noise mainly by reflection of pressure waves, without excessively increasing the price and the volume of the device.
To this end, the present invention relates to a combustion water heater, the burner of which is in the form of a pulsoreactor, having means for attenuating the intensity of the noise emitted by the pulsoreactor. This water heater is characterized by the fact that these means comprise at least one Helmholtz resonator tuned to at least the fundamental natural frequency of the pulsoreactor and connected laterally to the suction and / or exhaust tube and at least one device for attenuation located upstream respectively downstream of the Helmholtz resonator connected to the suction and / or exhaust tube to absorb at least part of the residual acoustic energy not reflected by said resonator.
The advantage of the present invention lies mainly in the fact that the reflection of the pressure waves is obtained using one or more resonators connected laterally to the suction tube.
ration and / or exhaust. This arrangement makes it possible to extend
the upstream suction and / or exhaust pipes, respectively
downstream of the resonator (s), and consequently makes it possible
the establishment of other devices intended to absorb at least
partly the residual acoustic energy not reflected by the reso
nator, without placing the whole device in a silencer
as in the aforementioned solution. This acoustic energy
residual is constituted by the parasitic frequencies, that is to say
frequencies different from the fundamental frequency.
Given the reflection caused by the lateral connection of the
Helmholtz resonators, devices intended to absorb the
less in part the residual acoustic energy does not affect sen
sibly the phenomenon of resonance inside the pul system
health proper. In addition, the lateral connection of the
Helmholtz resonators at the suction and / or exhaust tube
ment does not lead to too high a pressure drop so that the
pulsating combustion can occur under the right conditions
The solution proposed here is simple. Recommended measures
to attenuate the noise of the pulsoreactor allow
a relatively inexpensive and compact device.
The appended drawing represents, very schematically and by way of
example, an embodiment of the water heater object of the present
invention.
Fig. 1 is a view of a block diagram of this form
execution.
Figs. 2 to 4 represent different diagrams relating to
effects of resonators and auxiliary filters on transmission
pressure waves.
The diagram of the water heater shown in fig. 1 has a
pulsoreactor 1 consisting essentially of a communication chamber
bustion 2 fitted with an intake tube 3 and an exhaust tube
ment 4. This intake tube is fitted with an aerodynamic valve 5
formed by a flared part, delimited by a truncated cone or
a flare formed by an arc of a circle. The role of this valve
aerodynamic is to create a stronger resistance to the fluid
outgoing than the incoming fluid. The intake tube enters
inside the combustion chamber and contains an injector
main 6, connected to a gas supply source (not shown
felt). An ignition electrode 7 disposed vis-à-vis a counter
electrode 8, is connected to an ignition coil 9 supplied by a
battery 10. Of course, one can imagine the use of other
high voltage power supplies.
The major part of the pulsoreactor, in particular its
combustion 2 and its exhaust pipe 4, are surrounded by
a water heating chamber 11 connected by a conduit 12,
to a cold water supply source (not shown) and
provided with an outlet pipe 13 for hot water.
The intake 3 and exhaust 4 tubes are extended by
upstream, respectively downstream. Each extension of these tubes
intake and exhaust features, moving away from the pulso
reactor upstream, respectively downstream, a resonator of
Helmbolta 14, 14 'laterally connected. These resonators com
each carry a 15, 15 'chamber. These two rooms are put
in communication with the extensions of the intake tubes
and exhaust via two respective connection conduits 17, 17 '.
When placing a resonator laterally along a tube
formed by a cavity and a connection duct, and that waves
pressure are emitted in the tube by a source located at a
end of the tube, it can be shown that, if the distance 1 separating
the source resonator is equal to a quarter of the length of
the incident wave, a standing wave is created. This wave has the
same shape as in the case of an open tube. Beyond the
junction of the connecting duct with the tube, the pressure acous
tick and fluid displacement are equal to zero, provided
that the natural frequency of the resonator is equal to the frequency
of the waves considered.
This means that all the flow is moving
alternately between the tube and the cavity, via the connection duct, without there being any flow beyond the junction of the tube and the connection duct.
The natural frequency of these resonators is calculated using the following formula:
EMI2.1
in which: f11 = natural frequency of the Helmholtz resonator
C = speed of sound
C = 340 m / s at the inlet and 390 m / s at the outlet of the pulsoreactor section of the connection tube lff '= corrected length of the connection tube H = l, f0,86 DH 111 geometric length of the connector D11 = diameter of the connection tube VH = volume of the resonant cavity.
To have good efficiency, such resonators must offer only a very low resistance to the reciprocating movement of the fluid. This resistance Rv is given by the expression:
Rv = 2 p3co, 8111 3: D t, = circular frequency (o = 2nf) rl = dynamic viscosity p = density.
For the resonant frequency of the resonator, the transmission ratio P, where p energy transmitted beyond the resonator energy of the incident wave is given by:
EMI2.2
where S, is the section of the pipe on which the resonator is placed.
During tests, we arrived at an attenuation of 32 dB, which means that 0.6% o of the energy of the waves coming from the pulsoreactor is not reflected and passes beyond the resonator of
Helmholtz.
For frequencies other than the resonant frequency, the transmission ratio has the general shape of curves I and II shown in the diagram of FIG. 2. These two curves I and II relate to two respectively high and low values of resistance Rv.
To attenuate the frequencies different from the resonant frequency of resonators 14 and 14 ', two filters have been placed
18, 18 'upstream, respectively downstream of these resonators. These filters 18 and 18 'are resonator filters which each comprise
16 Helmholtz resonators.
Resonator filters are intended to attenuate waves in the low frequency range. In this example, this range is between 60 and 400 Hz approximately. These filters therefore also attenuate the pulsoreactor fundamental frequency waves, which is 158 Hz in this example, transmitted beyond the Helmholtz resonators 14 and 14 ′.
Filters 18 and 18 'shown schematically in FIG. 1 are separated from each other by annular partitions 19, 19 '
and their outer wall is formed by a tube 20, respectively
ment 20 '. Four connection tubes 21 respectively 21 'connect
each cavity thus formed at the extensions of the suction tubes
respectively exhaust.
Since these resonators have smaller dimensions than the resonators 14, 14 ', their resistance Rv is higher. Therefore, their efficiency is lower at the resonant frequency, but higher when the ratio f / fH moves away from unity, as can be seen from the diagram of fig. 2.
Two filters made of absorbent materials 22, 22 'are placed upstream, respectively downstream of the resonator filters 18, 18'. These filters have the function of attenuating medium and high frequency waves. They consist of a simple tube lined internally with an absorbent substance such as glass wool, mineral wool, felt.
The attenuation effect of such filters can be estimated using the following formula:
A = lOS.Ut. a1.4
St in which
A = attenuation in dB per linear meter of filter U, = passage perimeter (cm) a = absorption coefficient
S, = section (cm2)
For a given material, the coefficient a depends on the thickness and the frequency. Generally speaking, the absorption is weak for the low frequencies and reaches its maximum around 1000 Hz. This is what the curves a and and 4 represented in the diagram of FIG. 3. These curves also explain why it is necessary to complete such an absorbent material filter by a resonator filter, of more complicated construction.
The calculation shows that the attenuation at 1000 Hz and above is 60 dB / m while it is only 7 dB / m at 125 Hz. It would then be necessary to use a filter several meters long to obtain the desired effect.
The diagram in fig. 4 shows the theoretical attenuation effect obtained using resonator filters and filters with absorbent material. Zone A on this diagram is where the resonator filter has a predominant action, while zone B is the predominant action of the absorbent filter.
Tests carried out with an apparatus having the general configuration of that which has been described in relation to FIG. 1 have shown that it is possible using these elements to reduce the noise of the pulsoreactor to an acceptable level.