EP0090745A1 - Brûleur pour appareil de chauffage à catalyse - Google Patents

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EP0090745A1
EP0090745A1 EP83420035A EP83420035A EP0090745A1 EP 0090745 A1 EP0090745 A1 EP 0090745A1 EP 83420035 A EP83420035 A EP 83420035A EP 83420035 A EP83420035 A EP 83420035A EP 0090745 A1 EP0090745 A1 EP 0090745A1
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catalytic
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catalytic mass
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EP83420035A
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Alain Risse
Alain Lacroix
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Lyonnaise des Applications Catalytiques Ste
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24C—DOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
    • F24C3/00—Stoves or ranges for gaseous fuels
    • F24C3/04—Stoves or ranges for gaseous fuels with heat produced wholly or partly by a radiant body, e.g. by a perforated plate
    • F24C3/06—Stoves or ranges for gaseous fuels with heat produced wholly or partly by a radiant body, e.g. by a perforated plate without any visible flame
    • F24C3/062—Stoves or ranges for gaseous fuels with heat produced wholly or partly by a radiant body, e.g. by a perforated plate without any visible flame stoves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion

Definitions

  • the present invention relates to a burner for catalytic heating apparatus.
  • a catalyzed heating appliance essentially comprises a burner allowing the catalytic oxidation at low temperature of a gaseous fuel or one brought into the gaseous state, such as a hydrocarbon.
  • FIG. 1 of the accompanying schematic drawing shows a mobile catalysis heater (2), comprising a housing (3) inside which is mounted, behind a protective grid (4), a burner which is shown in more detail , in exploded perspective, in Figure 2.
  • This burner comprises a heating body (5) consisting of a metal bowl, in the bottom of which is fixed a gas supply system consisting of a coil (6) pierced with orifices .
  • a metal support (7) consisting of a perforated sheet, on which rests a diffusion system (8) consisting of a mattress of mineral fibers.
  • the catalytic mass or active mass (9) generally constituted by refractory mineral fibers or other materials, on which the catalyst is deposited.
  • a metal frame (10) carrying a grid (12) constituted by longitudinal elements and transverse elements keeps the assembly in place.
  • the gas flow rate is considerably increased until reaching a value corresponding to three times the nominal burner flow rate, for a period of time between 30 seconds and 1 minute.
  • This ignition flow is called the choke flow.
  • the gas flow is ignited, usually by a pilot, the flames then disappearing to make way for flameless catalytic combustion.
  • the texture of the diffusing material should be neither too compact nor too light, but perfectly adapted to the texture of the active mass, in order to avoid irregularities in the passage of gas resulting in a poor distribution of the charge in gas in the active mass, and consequently by a significant drop in the yield of the catalytic reaction.
  • obtaining a gas flow rate greater than the nominal burner flow rate requires the use of a specific system and sometimes the creation of a special gas circuit. This leads to an increase in the complexity of the burner valves, which is not favorable from an economic point of view.
  • a gas flow rate higher than the nominal burner flow rate appreciably prolongs the start-up period, since a catalytic burner cannot, even for a short time, properly digest an excess of gas and only strong proportions of unburnt gas are released into the atmosphere.
  • the user is often obliged to completely interrupt the flow of gas for a period of time of the order of 1 minute. This intervention is often felt by the user as an easement characterizing catalytic heaters.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks.
  • the burner of the catalyzed heating appliance to which it relates of the type comprising a shaped heating body (13) metal bowl, equipped with a gas supply system (14), in which is mounted a support (15) for the catalytic mass, the active mass or catalytic mass and a retaining frame (17) for the assembly , is characterized in that the properties of the catalytic mass (16) are such that it also fulfills the function of diffusion system.
  • the catalytic mass (16) is mounted without compression inside the burner. Therefore, the frame ensuring its holding consists of a simple peripheral frame without longitudinal or transverse bars.
  • the gas supply system is significantly simplified since it consists of a straight ramp, or a simple nut mounted in the bottom of the bowl forming the heating body.
  • the active mass can rest without compression on a metal support constituted by a perforated sheet (15), or have an integrated reinforcement ensuring its own resistance independently of any external element.
  • the catalytic mass comprises elements such as fibers, beads, son, chips, any agglomerates, etc., of refractory materials, regularly distributed in a mattress of 5 to 15 millimeters thick, having a specific surface at least equal to 1 m 2 / g, having good chemical and mechanical stability in an oxidizing atmosphere up to at least 800 ° C, the elements being arranged so as to provide 40 to 60 vacuum volumes for a full volume .
  • the support of the active mass consists of ceramic fibers, these have a diameter of two to three microns and a density between 2.5 and 3 kg / dm 3 .
  • the elimination of the diffusion mattress allows the entire contact mass to work under optimal oxygenation conditions, which results in particular from the absence of compression on the catalytic mass.
  • the penetration of the combustion air within the contact mass is favored by a judicious choice of the density and the thickness of the catalyst support.
  • the catalytic reaction no longer takes place only on the surface of the contact mass, but also in depth, on the internal face of the contact mass, and propagates over the entire thickness of the mattress.
  • the working temperature is 50 ° C higher than that of the burner described above. This results in a significant increase in the catalytic yield which commonly reaches 99.5%.
  • This improvement in efficiency also makes it possible to lower the level of the idle speed of the burner, which has an advantage for the user as well as an economic advantage.
  • Another advantage of the device according to the invention relates to the ignition and, consequently, the warming up of the contact mass.
  • the suppression of the gas diffusion layer and consequently the greater permeability of the contact mass allows an extremely rapid reaction initiation and a great aptitude for propagation.
  • This gain in catalytic activity is directly linked to the greater ease given to the reactants to mix as soon as they come into contact with the catalytically active substance.
  • the invention brings a great improvement to the existing technique by providing a catalytic heating device from hydrocarbons, such as methane, ethane, butane, propane, heptane, having a simplified structure and excellent performance, suitable for domestic, industrial and agricultural applications.
  • hydrocarbons such as methane, ethane, butane, propane, heptane

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Abstract

Ce brûleur est du type comprenant un corps de chauffe (13), en forme de cuvette métallique, équipé d'un système (14) d'amenée du gaz, dans lequel est monté un support (15) de la masse catalytique, la masse active ou masse catalytique et un cadre de maintien (17) de l'ensemble.
Selon l'invention, les propriétés de la masse catalytique (16) sont telles que celle-ci remplit également la fonction de système de diffusion.

Description

  • La présente invention a pour objet un brûleur pour appareil de chauffage à catalyse.
  • Un appareil de chauffage à catalyse comprend essentiellement un brûleur permettant l'oxydation catalytique à basse température d'un combustible gazeux ou amené à l'état gazeux, tel qu'un hydrocarbure.
  • La figure 1 du dessin schématique annexé représente un appareil de chauffage à catalyse (2) mobile, comprenant un carter (3) à l'intérieur duquel est monté, derrière une grille de protection (4), un brûleur qui est montré plus en détail, en perspective éclatée, à la figure 2. Ce brûleur comprend un corps de chauffe (5) constitué par une cuvette métallique, dans le fond duquel est fixé un système d'amenée de gaz constitué par un serpentin (6) percé d'orifices. Dans le corps de chauffe est fixé un support métallique (7) constitué par une tôle perforée, sur laquelle repose un système de diffusion (8) constitué par un matelas de fibres minérales. Sur le système de diffusion (8) est plaquée la masse catalytique ou masse active (9) généralement constituée par des fibres minérales réfractaires ou d'autres matériaux, sur lesquels est déposé le catalyseur. Un cadre métallique (10) portant une grille (12) constituée par des éléments longitudinaux et des éléments transversaux maintient l'ensemble en place.
  • Le fonctionnement d'un tel appareil est le suivant :
    • Le gaz combustible s'écoule par le serpentin placé au fond du corps de chauffe (5), à l'intérieur du vide ménagé entre le fond du corps de chauffe et le support métallique (7), qui joue le rôle de chambre de détente et contribue à la répartition du flux gazeux au sein du brûleur. Le gaz pénètre ensuite dans le matelas de fibres minérales, qu'il sature entièrement avant de passer dans la masse active ou masse de contact dans laquelle la réaction a lieu.
  • Pour que la réaction catalytique s'amorce et s'entretienne ensuite d'elle-même, il est nécessaire de recourir à un artifice consistant à préchauffer la masse catalytique, ce qui est généralement réalisé à l'aide du gaz traversant le matelas catalytique.
  • A cet effet, le débit de gaz est considérablement augmenté jusqu'à atteindre une valeur correspondant au triple du débit nominal du brûleur, pendant un laps de temps compris entre 30 secondes et 1 minute. Ce débit d'allumage est appelé débit starter.
  • Dès son apparition, à la surface de la masse catalytique, le flux gazeux est enflammé, généralement par une veilleuse, les flammes disparaissant ensuite pour laisser la place à une combustion catalytique sans flamme.
  • Cette technique utilisée par tous les constructeurs présente des inconvénients en raison de la nécessité d'une texture parfaitement appropriée du matériau diffuseur, de l'excès de gaz en période d'allumage et de la perméabilité du système.
  • En effet, la texture du matériau diffuseur ne doit être ni trop compacte, ni trop légère, mais parfaitement adaptée à la texture de la masse active, afin d'éviter les irrégularités de passage de gaz se traduisant par une mauvaise répartition de la charge en gaz dans la masse active, et par suite par une baisse sensible du rendement de la réaction catalytique.
  • L'excès de gaz en période de démarrage est indispensable si l'on veut que le préchauffage de la masse catalytique s'effectue dans des conditions acceptables pour l'utilisateur. En effet, d'un débit de gaz trop limité en période de démarrage peut résulter un retard important à l'allumage, se traduisant par une déflagration désagréable. L'accroissement sensible du débit de gaz en période de démarrage permet de créer rapidement une concentration importante en gaz à la base du brûleur, qui s'enflamme avant que la dispersion du flux gazeux soit trop grande.
  • Néanmoins, l'obtention d'un débit de gaz supérieur au débit nominal du brûleur nécessite la mise en oeuvre d'un système spécifique et parfois la création d'un circuit de gaz spécial. Ceci conduit à une augmentation de la complexité de la robinetterie du brûleur, ce qui n'est pas favorable du point de vue économique. En outre, un débit de gaz supérieur au débit nominal du brûleur prolonge de façon sensible la période de mise en service, étant donné qu'un brûleur catalytique ne peut, même pendant un temps bref, digérer correctement un excès de gaz et que de fortes proportions de gaz imbrûlé sont rejetées dans l'atmosphère. Il en résulte que l'utilisateur est souvent dans l'obligation d'interrompre entièrement le débit de gaz pendant une période de temps de l'ordre de 1 minute. Cette intervention est souvent ressentie par l'utilisateur comme une servitude caractérisant les appareils de chauffage à catalyse.
  • Même avec un choix judicieux du système de diffusion du gaz, celui-ci occasionne un tassement plus ou moins important de l'ensemble du brûleur catalytique. Ce tassement imprimé à la masse active enlève à cette dernière un certain degré de perméabilité, nuisant à la pénétration de l'air comburant au sein de la masse, ce qui se traduit par un ralentissement de l'activité catalytique dans la zone profonde de la masse active. Une partie de cette masse n'étant pas exploitée correctement, les possibilités du brûleur s'en trouvent sensiblement réduites.
  • La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
  • A cet effet, comme montré à la figure 3 du dessin schématique annexé qui en est une vue en perspective éclatée, le brûleur de l'appareil de chauffage à catalyse qu'elle concerne, du type comprenant un corps de chauffe (13) en forme de cuvette métallique, équipé d'un système (14) d'amenée du gaz, dans lequel est monté un support (15) de la masse catalytique, la masse active ou masse catalytique et un cadre de maintien (17) de l'ensemble, est caractérisé en ce que les propriétés de la masse catalytique (16) sont telles que celle-ci remplit également la fonction de système de diffusion.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la masse catalytique (16) est montée sans compression à l'intérieur du brûleur. De ce fait, le cadre assurant sa tenue consiste en un simple cadre périphérique sans barrettes longitudinales, ni transversales.
  • En outre, le système d'amenée du gaz est sensiblement simplifié puisque constitué par une rampe droite, ou un simple écrou monté dans le fond de la cuvette formant le corps de chauffe.
  • La masse active peut reposer sans compression sur un support métallique constitué par une tôle perforée (15), ou disposer d'une armature intégrée assurant sa propre tenue indépendamment de tout élément extérieur.
  • Afin de posséder de bonnes propriétés de diffusion, la masse catalytique comprend des éléments tels que fibres, billes, fils, copeaux, agglomérats quelconques, etc., de matériaux réfractaires, régulièrement répartis en un matelas de 5 à 15 millimètres d'épaisseur, présentant une surface spécifique au moins égale à 1 m2/g, possédant une bonne stabilité chimique et mécanique en atmosphère oxydante jusqu'à au moins 800°C, les éléments étant arrangés de manière à ménager 40 à 60 volumes de vide pour un volume plein.
  • Dans la mesure où le support de la masse active est constitué par des fibres céramiques, celles-ci ont un diamètre de deux à trois microns et une masse volumique comprise entre 2,5 et 3kg/dm3.
  • Le fonctionnement de ce brûleur est le suivant : le gaz combustible est distribué dans le fond du corps de chauffe (13) par un tube droit (14a) percé d'orifices de petit diamètre, ou par un simple écrou percé (14b), comme montré en traits mixtes au dessin. Le gaz remplit le vide existant entre la masse catalytique (16) et le fond du corps de chauffe (13) et entre en contact directement avec la masse catalytique, le flux gazeux uniformément réparti traversant cette dernière, au contact de laquelle se produit la réaction d'oxydation catalytique.
  • La suppression du matelas de diffusion permet à l'ensemble de la masse de contact de travailler dans des conditions optimales d'oxygénation, ce qui résulte notamment de l'absence de compression sur la masse catalytique.
  • En outre, la pénétration de l'air comburant au sein de la masse de contact est favorisée par un choix judicieux de la densité et de l'épaisseur du support de catalyseur.
  • De ce fait, la réaction catalytique n'a plus lieu uniquement à la surface de la masse de contact, mais également en profondeur, sur la face interne de la masse de contact, et se propage sur toute l'épaisseur du matelas.
  • De ce fait, pour une même puissance au cm2, la température de travail est supérieure de 50°C à celle du brûleur décrit précédemment. Il en résulte une augmentation sensible du rendement catalytique qui atteint couramment 99,5 %.
  • Cette amélioration du rendement permet également d'abaisser le niveau du régime de ralenti du brûleur, ce qui présente un avantage pour l'utilisateur ainsi qu'un avantage économique.
  • Un autre avantage du dispositif selon l'invention concerne l'allumage et, par conséquent, la mise en température de la masse de contact. La suppression de la couche de diffusion du gaz et par suite la plus grande perméabilité de la masse de contact permet un amorçage de réaction extrêmement rapide et une grande aptitude à la propagation. Ce gain d'activité catalytique est directement lié à la plus grande facilité donnée aux réactants pour se mêler dès leur entrée en contact avec la substance catalytiquement active.
  • Cette facilité d'amorçage et de propagation de la réaction catalytique permet la mise en service d'un brûleur sans fonction starter, c'est-à-dire sans augmentation du débit gazeux, la quantité de gaz correspondant à la puissance nominale de l'appareil étant suffisante. La suppression de la fonction starter se traduit donc par une simplification de la robinetterie.
  • Pour l'utilisateur, l'allumage est simplifié et les risques de ratées qui se traduisaient par un dégagement de gaz imbrûlés et, par conséquent, d'odeurs, sont considérablement réduits.
  • La suppression d'un débit de gaz supérieur pendant la phase d'allumage permet de prolonger l'activité du catalyseur et d'augmenter la fiabilité du brûleur. En effet, des allumages répétés de la masse catalytique à l'aide de fortes quantités de gaz entraînent du fait de l'élévation anormale de la température en certains points de la masse, des phénomènes de recristallisation prématurée du catalyseur se traduisant par une perte d'activité partielle.
  • En ce qui concerne l'usage industriel des brûleurs catalytiques, les nouvelles possibilités d'allumage apportent d'importantes simplifications au niveau des vannes automatiques de distribution des gaz, la vanne starter, les temporisateurs et le circuit électrique qui leur est associé étant supprimés, ce qui se traduit par une économie substantielle.
  • Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un appareil de chauffage à catalyse à partir d'hydrocarbures, tels que méthane, éthane, butane, propane, heptane, possédant une structure simplifiée et des performances excellentes, susceptible d'applications tant domestiques qu'industrielles ou agricoles.
  • Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cet appareil de chauffage décrites ci-dessus à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation.
  • C'est ainsi notamment que la masse active pourrait ne pas être asssociée à un support constitué par une tôle perforée, mais présenter une armature interne, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention.

Claims (8)

1.- Brûleur pour appareil de chauffage à catalyse, du type comprenant un corps de chauffe (13), en forme de cuvette métallique, équipé d'un système (14) d'amenée du gaz, dans lequel est monté un support (15) de la masse catalytique, la masse active ou masse catalytique et un cadre de maintien (17) de l'ensemble, caractérisé en ce que les propriétés de la masse catalytique (16) sont telles que celle-ci remplit également la fonction de système de diffusion.
2.- Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse catalytique (16) est montée sans compression à l'intérieur du brûleur.
3.- Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le cadre (17) assurant le maintien en position montée des différents organes constitutifs du brûleur est constitué par un simple cadre périphérique sans barrettes longitudinales, ni transversales.
4.- Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'amenée de gaz dans le corps de chauffe (13) est constitué par une rampe' droite (14a).
5.- Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'amenée de gaz dans le corps de chauffe (13) est constitué par un écrou (14b).
6.- Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support de la masse catalytique est constitué par une armature intégrée à cette masse catalytique.
7.- Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse catalytique comprend des éléments tels que fibres, billes, fils, copeaux, agglomérats quelconques, etc., de matériaux réfractaires, régulièrement répartis en un matelas de 5 à 15 millimètres d'épaisseur, présentant une surface spécifique au moins égale à 1 m2/g, possédant une bonne stabilité chimique et mécanique en atmosphère oxydante jusqu'à au moins 800°C, les éléments étant arrangés de manière à ménager 40 à 60 volumes de vide pour un volume plein.
8.- Brûleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que, dans la mesure où le support de la masse active est constitué par des fibres céramiques, celles-ci ont un diamètre de deux à trois microns et une masse volumique comprise entre 2,5 et 3 kg/dm3.
EP83420035A 1982-03-29 1983-03-04 Brûleur pour appareil de chauffage à catalyse Withdrawn EP0090745A1 (fr)

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GR (1) GR78801B (fr)
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DK93183D0 (da) 1983-02-25
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JPS58213110A (ja) 1983-12-12
ES520543A0 (es) 1983-12-16
PT76378A (fr) 1983-04-01
PT76378B (fr) 1985-12-27
FR2524122A1 (fr) 1983-09-30

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