EP0128809B1 - Brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme et utilisation de ce brûleur en particulier pour installation à tube immergé - Google Patents

Brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme et utilisation de ce brûleur en particulier pour installation à tube immergé Download PDF

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EP0128809B1
EP0128809B1 EP84401101A EP84401101A EP0128809B1 EP 0128809 B1 EP0128809 B1 EP 0128809B1 EP 84401101 A EP84401101 A EP 84401101A EP 84401101 A EP84401101 A EP 84401101A EP 0128809 B1 EP0128809 B1 EP 0128809B1
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Claude Chapuis
Georges Austruy
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Gaz de France SA
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    • 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
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/725—Protection against flame failure by using flame detection devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D91/00—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for
    • F23D91/02—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for for use in particular heating operations
    • F23D91/04—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for for use in particular heating operations for heating liquids, e.g. for vaporising or concentrating

Definitions

  • the present invention relates to improvements to a gas burner of the premix type and flame control.
  • This type of burner is commonly used in industry, allowing in particular high heating powers per unit area.
  • the gas burner of the premix and flame control type comprises an inlet of the air + fuel gas premix in a distribution chamber opening out through a flame stabilization grid in a combustion chamber, and a combustion cell. control of the burner flame placed behind a nozzle, which nozzle extends relative to the direction of flow of the fuel mixture behind the flame stabilization grid, the axis of said nozzle being directed substantially perpendicularly to said grid.
  • Document FR-A-2 274 869 also recommends placing the control cell behind a nozzle opening at the level of the stabilization grid and disposed substantially perpendicularly to the latter. It also provides, to avoid ignition of the burner due to possible flashbacks, to surround part of the nozzle with a cavity acting as a flameback detector.
  • the tip used is of the quartz and return prism type, which can cause problems in terms of detection by the cell in the event of condensation condensation and dirt deposits on the tip.
  • such a construction moreover not intended for installations with a submerged tube, does not allow the cell to be placed as close as possible to the flame so as to improve the reading, the latter then being able to be damaged by a return violent flame.
  • Document GB-A-491,714 teaches a burner in which a control cell is arranged towards the bottom of a nozzle and can be cooled by part of the combustion air supplying the burner.
  • this construction also does not effectively protect the cell against flashback by ensuring optimal positioning of this cell so as to improve detection and control security.
  • the cell is effectively protected whatever the flame instabilities that may arise and it can therefore be placed as close as possible to the flame of the burner to be checked.
  • the reading cell is thus protected by. the stabilization grid and by the distribution chamber interposed between it and said grid. It will be noted that this arrangement makes it possible, moreover, when the burner is intended to equip a submerged tube, to easily dispose the control cell outside the bath to be heated.
  • an ignition electrode is mounted through said distribution chamber opening out by its electrode suitably electrically isolated through said distribution grid and by its head connected to the power supply behind said chamber distribution.
  • the invention also applies to the use burners adapting to a combustion chamber.
  • the burner identified as a whole 1 essentially comprises a separation chamber into which arrives via a supply line 3 the air / combustible gas premixing advantageously opening into the chamber through a substantially tangential opening 4.
  • the chamber 2 which has the general shape of a cylindrical box with a substantially circular section is closed on its front face by a flame stabilization grid 5.
  • This grid can be of the type described in the aforementioned French patent No. 69.37574, comprising essentially orifices of suitable diameters and distribution to ensure good attachment and good stabilization of the flames at the inlet of the combustion chamber 6 and this for the powers considered of operating the burner.
  • the box forming the distribution chamber is closed by a wall 7.
  • the letters “front” and “rear” of the burner have been identified by the letters AV and AR, with reference to the circulation of the combustible mixture in the burner as shown by the arrows.
  • the ignition of the burner is ensured by an electrode 8 supplied with a suitable high voltage as shown in diagram 9 and suitably isolated, the ignition taking place by sparks between the tip 10 of the ignition electrode and the wall. next to the metal front flange 11 suitably grounded in the box forming the distribution chamber 2.
  • a flame control cell 12 sensitive to the ultraviolet radiation of the flame and “reading” the information through the orifices of the grate was placed behind the rear wall 7 of the chamber 2. flame stabilization 5.
  • the cell 12 is placed behind a nozzle 13 whose axis 14 is directed substantially perpendicular to the flame stabilization grid 5, said nozzle communicating through an orifice in the chamber distribution 2.
  • the burner is supplied with combustible gas by a pipe 18 and with main air by a pipe 19, the premix being thus delivered to the pipe 3 under substantially stoichiometric conditions.
  • the air is supplied by a fan or compressor 20 which supplies not only the main air duct 19 but also the secondary air duct 16, the connections being thus made that the secondary air inlet pressure in the nozzle 13 will be greater than that of the arrival of the premix in the distribution chamber 2, so as to obtain the sweeping and cooling of the nozzle 13 by the secondary air flow arriving at 17 as desired.
  • the cell 12 is connected to the burner operating programmer 21 which controls the ignition electrode 8 the fan 20 and the controlled gas inlet valve 23 by suitable connections.
  • the distribution chamber can optionally be provided with additional grids for homogenization and suitable distribution of the premix, as indicated for example in 27.
  • a torch or an auxiliary burner can optionally be used for igniting the burner which can be arranged for example in the axis of the burner or on the combustion chamber itself on which the burner is fixed.

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Description

  • La présente invention a pour objet des perfectionnements à un brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme.
  • Ce type de brûleur est couramment utilisé dans l'industrie, permettant notamment de fortes puissances de chauffe par unité de surface.
  • De façon plus spécifique, le brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme comporte une arrivée du prémélange air + gaz combustible dans une chambre de répartition débouchant par une grille de stabilisation de flamme dans une chambre de combustion, et une cellule de contrôle de la flamme du brûleur placée en arrière d'un embout, lequel embout s'étend par rapport à la direction d'écoulement du mélange combustible en arrière de la grille de stabilisation de la flamme, l'axe dudit embout étant dirigé sensiblement perpendiculairement à ladite grille.
  • Divers travaux ont été effectués sur ce type de brûleurs, et l'on peut citer notamment FR-A-2063803 déposé au nom du même demandeur pour un « brûleur à gaz à grande puissance de chauffe ». Cependant dans ce brevet on visait essentiellement des applications industrielles spécifiques telles que la soudure de conduites de grand diamètre, le traitement de tôles, etc. L'invention concerne au contraire de façon plus particulière le domaine du chauffage par tube immergé, laquelle pose des problèmes spécifiques notamment de stabilisation de flammes dus aux fortes fluctuations de pression qu'engendre la combustion d'une flamme de forte puissance en milieu compact. En outre, il faut assurer un contrôle constant et efficace de la flamme pour éviter notamment toute extinction intempestive du brûleur en cours de combustion. Il en résulte des conditions particulièrement difficiles de fonctionnement de la cellule de contrôle de flamme si elle doit travailler en milieu immergé et en étant soumise à de très fortes contraintes thermiques. Différentes études ont été menées pour résoudre ces problèmes.
  • L'article consacré aux « nouveaux échangeurs alimentés en gaz naturel pour le chauffage de bains industriels (Revue Générale de Thermique, vol. 22, n° 253) invite notamment à placer l'organe de détection et de contrôle en arrière de la grille de stabilisation de flamme, vers le fond d'un embout. Cependant, l'embout est prévu pour déboucher directement au niveau de la grille. En outre, cet article n'indique pas les moyens pratiques de construction et de mise en place de cet organe de détection permettant de le prémunir en particulier contre toute instabilité de la flamme.
  • Le document FR-A-2 274 869 préconise également de placer la cellule de contrôle en arrière d'un embout débouchant au niveau de la grille de stabilisation et disposé sensiblement perpendiculairement à cette dernière. Il prévoit en outre, pour éviter l'inflammation du brûleur due à d'éventuels retours de flammes, d'entourer une partie de l'embout par une cavité jouant le rôle de détecteur de retour de flamme. Toutefois, l'embout utilisé est du type à quartz et à prisme de renvoi, ce qui peut poser des problèmes au niveau de la détection par la cellule en cas de formation de buées de condensation et de dépôts de salissures sur l'embout. En outre, une telle construction, d'ailleurs non destinée aux installations à tube immergé, ne permet pas de placer la cellule au plus près de la flamme de façon à améliorer la lecture, celle-ci pouvant en effet alors être endommagée par un retour violent de flamme.
  • Au document GB-A-491 714 est enseigné un brûleur dans lequel une cellule de contrôle est disposée vers le fond d'un embout et peut être refroidi par une partie de l'air comburant alimentant le brûleur. Cependant cette construction ne permet pas non plus de protéger efficacement la cellule contre les retours de flamme en assurant un positionnement optimal de cette cellule de façon à améliorer la sécurité de détection et de contrôle.
  • L'invention a justement pour objet de résoudre ces problèmes. A cet effet, conformément à l'invention, en vue de faciliter le contrôle de la flamme en soustrayant la cellule de contrôle aux contraintes thermiques liées au fonctionnement du brûleur,
    • - l'embout s'étend vers l'arrière de la chambre de répartition dans laquelle il débouche par un orifice de communication, et reçoit une arrivée d'air secondaire sous pression, l'air sous pression nécessaire au fonctionnement du brûleur étant délivré par un conduit principal à l'arrivée du prémélange et par un conduit secondaire audit embout, et
    • - les connexions entre l'air principal et l'air secondaire sont faites de façon que la pression d'air secondaire audit embout soit supérieure à celle de l'arrivée du prémélange dans la chambre de répartition.
  • De cette façon, on protège effectivement la cellule quelles que soient les instabilités de flamme qui peuvent survenir et on peut donc la placer au plus près de la flamme du brûleur à contrôler.
  • En outre, la cellule de lecture est ainsi protégée par. la grille de stabilisation et par la chambre de répartition interposée entre elle et ladite grille. On notera que cette disposition permet, par ailleurs, lorsque le brûleur est destiné à équiper un tube immergé de disposer facilement la cellule de contrôle en dehors du bain à chauffer.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, une électrode d'allumage est montée à travers ladite chambre de répartition débouchant par son électrode convenablement isolée électriquement à travers ladite grille de répartition et par sa tête reliée à l'alimentation électrique en arrière de ladite chambre de répartition.
  • L'invention s'applique également à l'utilisation de brûleurs s'adaptant à une chambre de combustion.
  • L'invention, ses caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 montre de façon schématique en partie en coupe, en partie en vue extérieure et avec arrachements un brûleur à gaz conforme à l'invention,
    • - la figure 2 montre à plus petite échelle un schéma de montage du brûleur.
  • En se reportant tout d'abord à la figure 1 le brûleur repéré dans son ensemble 1 comporte essentiellement une chambre de départition dans laquelle arrive par une conduite 3 d'alimentation le prémélange air/gaz combustible débouchant avantageusement dans la chambre par une ouverture sensiblement tangentielle 4. La chambre 2 qui a la forme générale d'un caisson cylindrique à section sensiblement circulaire est obturée sur sa face avant par une grille de stabilisation de flamme 5. Cette grille peut être du type décrit au brevet français susmentionné N° 69.37574, comportant essentiellement des orifices de diamètres et de répartition convenables pour assurer un bon accrochage et une bonne stabilisation des flammes à l'entrée de la chambre de combustion 6 et ce pour les puissances considérées de fonctionnement du brûleur.
  • Sur sa face arrière le caisson formant la chambre de répartition est fermé par une paroi 7. Sur la figure on a repéré par les lettres AV et AR le côté respectivement « avant et « arrière du brûleur en faisant référence à la circulation du mélange combustible dans le brûleur tel que schématisé par les flèches.
  • Dans l'exemple illustré l'allumage du brûleur est assuré par une électrode 8 alimentée sous haute tension convenable comme schématisé en 9 et convenablement isolée, l'allumage se faisant par étincelles entre la pointe 10 de l'électrode d'allumage et la paroi voisine du flasque avant 11 métallique convenablement mis à la masse du caisson formant la chambre de répartition 2.
  • Pour contrôler le bon fonctionnement du brûleur, on a placé derrière la paroi 7 arrière de la chambre 2 une cellule de contrôle de flamme 12 sensible au rayonnement ultra-violet de la flamme et « lisant » l'information à travers les orifices de la grille de stabilisation de flamme 5. Dans le montage illustré la cellule 12 est placée en arrière d'un embout 13 dont l'axe 14 est dirigé sensiblement perpendiculairement à la grille 5 de stabilisation de flamme, ledit embout communiquant par un orifice dans la chambre de répartition 2.
  • En 16 on aperçoit d'autre part débouchant vers l'arrière de l'embout 13 un conduit secondaire amenant de l'air sous pression comme indiqué par la flèche 17, cette circulation d'air secondaire assurant un refroidissement supplémentaire interposé entre la chambre de répartition 2 et la cellule 12.
  • En se référant à la figure 2, on voit que le brûleur est alimenté en gaz combustible par une conduite 18 et en air principal par un conduit 19, le prémélange étant ainsi délivré au conduit 3 dans des conditions sensiblement stoechiométri- ques. L'air est délivré par un ventilateur ou compresseur 20 qui alimente non seulement le conduit d'air principal 19 mais également le conduit d'air secondaire 16, les connexions étant ainsi faites que la pression d'arrivée d'air secondaire dans l'embout 13 sera supérieure à celle de l'arrivée du prémélange dans la chambre de répartition 2, de façon à obtenir le balayage et refroidissement de l'embout 13 par le débit d'air secondaire arrivant en 17 comme désiré.
  • De façon classique et qui ne sera pas décrite, la cellule 12 est reliée au programmateur 21 de fonctionnement du brûleur qui commande par des connexions convenables l'électrode d'allumage 8 le ventilateur 20 et la vanne asservie 23 d'arrivée de gaz.
  • Revenant à la figure 1, on note sur le flasque arrière 7 des orifices 24 permettant le montage du brûleur sur le bâti fixe du générateur de chauffe (non représenté). Sur le flasque avant 11 on note les orifices 25 permettant l'ajustage sur la bride 11 du flasque 26 formant l'entrée de la chambre de combustion 6 qui peut donc être facilement fixée sous le brûleur. On note d'autre part que le diamètre Q de la chambre de combustion 6 est nettement supérieur au diamètre d de la grille 5 de stabilisation de flamme. Cette disposition qui est rendue possible par la forte puissance spécifique autorisée par le brûleur permet, contrairement à ce qui est fait dans les installations classiques de tube immergé d'éviter d'avoir à faire pénétrer assez profondément dans la chambre de combustion le brûleur, avec tous les inconvénients que cela présente au niveau de l'implantation. En particulier le brûleur décrit ci- dessus permet d'équiper des installations de tube immergé de construction particulièrement compactes, la chambre de combustion immergée pouvant être constituée par un simple tube court.
  • Diverses variantes peuvent être apportées au mode de réalisation illustré et décrit.
  • C'est ainsi que l'on peut éventuellement pourvoir la chambre de répartition de grilles supplémentaires d'homogénéisation et de répartition convenable du prémélange, comme indiqué par exemple en 27.
  • Egalement, bien que l'utilisation d'une électrode d'allumage soit en général préférée, on peut éventuellement utiliser pour l'allumage du brûleur une torche ou un brûleur annexe qui peuvent être disposés par exemple dans l'axe du brûleur ou sur la chambre de combustion elle-même sur laquelle vient se fixer le brûleur.

Claims (4)

1. Brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme comportant une arrivée du prémélange air + gaz combustible dans une chambre de répartition débouchant par une grille de stabilisation de flamme dans une chambre de combustion, et une cellule (12) de contrôle de la flamme du brûleur placée en arrière d'un embout (13), lequel embout s'étend par rapport à la direction d'écoulement du mélange combustible en arrière de la grille de stabilisation (5) de flamme, l'axe (14) dudit embout étant dirigé sensiblement perpendiculairement à ladite grille (5), ledit brûleur étant caractérisé en ce qu'en vue de faciliter le contrôle de la flamme en soustrayant la cellule (12) de contrôle aux contraintes thermiques liées au fonctionnement du brûleur,
- l'embout (13) s'étend vers l'arrière de la chambre de répartition (2) dans laquelle il débouche par un orifice de communication, et reçoit une arrivée (16) d'air secondaire (17) sous pression, l'air sous pression nécessaire au fonctionnement du brûleur étant délivré par un conduit principal (19) à l'arrivée du prémélange (3) et par un conduit secondaire (16) audit embout (13), et
- les connexions entre l'air principal (19) et l'air secondaire (16) sont faites de façon que la pression d'air secondaire audit embout soit supérieure à celle de l'arrivée du prémélange dans la chambre de répartition (2).
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une électrode d'allumage (8) est montée à travers ladite chambre de répartition (2) débouchant par son électrode (10) convenablement isolée électriquement à travers ladite grille (5) de répartition et par sa tête reliée à l'alimentation électrique en arrière de ladite chambre (2) de répartition.
3. Brûleur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite grille de stabilisation (5) est montée dans un flasque (11) fermant à l'avant ladite chambre de répartition (2), ledit flasque (11) s'adaptant sur un flasque (26) de montage de la chambre de combustion (6), ladite grille (5) étant de diamètre (d) notablement inférieur à celui (D) de l'ouverture dudit flasque (26) de montage de la chambre de combustion (6).
4. Utilisation du brûleur selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'il s'adapte à un ensemble chambre de combustion (6) et tube immergé compact.
EP84401101A 1983-06-08 1984-05-29 Brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme et utilisation de ce brûleur en particulier pour installation à tube immergé Expired EP0128809B1 (fr)

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