EP0269488A1 - Brûleur à gaz à prémélange et à contrôle de flamme - Google Patents

Brûleur à gaz à prémélange et à contrôle de flamme Download PDF

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EP0269488A1
EP0269488A1 EP87402426A EP87402426A EP0269488A1 EP 0269488 A1 EP0269488 A1 EP 0269488A1 EP 87402426 A EP87402426 A EP 87402426A EP 87402426 A EP87402426 A EP 87402426A EP 0269488 A1 EP0269488 A1 EP 0269488A1
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grid
premix
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    • 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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks

Definitions

  • the invention relates to a gas burner of the premix and flame control type.
  • This category of burner is in common industrial use.
  • the gas burner of the premix and flame control type according to the invention is, more specifically, such that it includes an air and combustible gas premix inlet in a distribution chamber opening out through a stabilization grid. flame in a combustion chamber where the premix is ignited by means of an ignition electrode.
  • Another means of controlling the operating conditions and combustion of the flame has already been envisaged and is used. It consists of the provision of an ionization electrode placed at the level of the combustion chamber.
  • Such an electrode placed in the space where the flame must develop in normal operating condition, makes it possible to detect the actual combustion conditions and to effectively control the position of this flame. It thus allows the burner to be stopped in the event of excessive instability or an abnormal flame position.
  • the water heater burners have only a low heating power.
  • the thermal stress problems are therefore not comparable.
  • the problems of flame instability resulting from large pressure fluctuations caused by the combustion of a high power flame in a compact medium do not exist.
  • the ionization electrode when it was provided, likewise elsewhere than the ignition electrode, were arranged so that their body and their head, connected to the electrical supply, were placed away from the flow of the gas mixture; only their donut point in the mixture.
  • the invention provides a gas burner of the premix type, with a grid. and flame control, comprising an ionization electrode mounted, like the ignition electrode, through the flame stabilization grid, these two electrodes being arranged, on the one hand, with their tips properly insulated, respectively straight , and bent towards the grate, extending into the combustion chamber and, on the other hand, with their heads each connected to a corresponding suitable electrical supply, passing through the distribution chamber.
  • the invention also applies to the use of burners adapting to a combustion chamber and compact submerged tube assembly.
  • the burner identified as a whole 1 comprises essen tially a distribution chamber 2 into which arrives, by a supply line 3, the air / combustible gas premix, advantageously opening into chamber 2 through a substantially radial opening 4.
  • Chamber 2 which has the general shape of a cylindrical box with a substantially circular section is closed, on its front face, by a metal flame stabilization grid 5.
  • This grid which is therefore relatively sensitive to thermal stresses (compared to ceramic plates) under certain operating conditions of the burner may in particular be of the type described in the above-mentioned French application no. 83 09468. More specifically, it will include orifices of suitable diameter and distribution to ensure good attachment and good stabilization of the flames at the entrance to the combustion chamber 6 , and this for the considered operating powers of the burner.
  • the box forming the distribution chamber 2 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 fuel mixture in the burner as shown by the arrows.
  • the ignition of the burner is ensured by an electrode 8 supplied with high voltage suitable as shematized at 9 and suitably isolated, the ignition taking place by sparks between the curved tip 10 ⁇ of the ignition electrode and the wall next to the grid 5 or the metal front flange 11 on which the grid 5 is fixed and which is grounded to the box forming the distribution chamber 2.
  • an ionization electrode 12 is also provided, also supplied under suitable voltage as shown in diagram 10 and suitably isolated, the flame development conditions being detected between the tip 13 of the electrode 12 and the neighboring mass of the grid 5.
  • the tip 13 of the ionization electrode 12 is, as illustrated, substantially straight and directed substantially parallel to the direction of flow of the gas mixture.
  • the two electrodes 8 and 12 are mounted, also substantially parallel to the direction of flow of the fuel mixture, so as to pass through the flame stabilization grid 5 towards the central part thereof and with their respective points 10 and 13 s extending into the combustion chamber.
  • the electric power cables 9 and 10 of the electrodes extend, as illustrated, in the distribution chamber 2 and pass through the wall of the latter, sealingly at the operating pressures considered, at 14 and 15. Sealing can in particular be ensured by cable glands.
  • the burner is supplied with combustible gas via a pipe 16, the premix being thus delivered to the pipe 3 under substantially stoichiometric conditions.
  • the air necessary for combustion is supplied by a fan or compressor 17 which supplies the main air duct 18.
  • the fan is supplied with electrical energy by 24.
  • the burner described above makes it possible to equip installations with immersed tubes (or more generally with a combustion chamber immersable in the liquid 19 to be heated) of particularly compact construction.
  • the shutdown of the burner is controlled by the ionization electrode 12 as soon as the latter detects an absence of flame.

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Abstract

L'invention concerne un brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme comportant une arrivée de prémélange air et gaz combustible dans une chambre de répartition (2) débouchant par une grille (5) de stabilisation de flammes dans une chambre de combustion (6) où le prémélange est enflammé au moyen d'une électrode d'allumage (10). Le brûleur est caractérisé en ce qu'il comprend une électrode (12) d'ionisation pour le contrôle de la flamme, lesdites électrodes d'allumage (8) et d'ionisation (12) étant montées à travers la grille (5) de stabilisation de flammes, avec leurs têtes reliées chacune à une alimentation électrique correspondante adaptée (9, 10). L'invention s'applique notamment à des installations à tube immergé compact.

Description

  • L'invention concerne un brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme.
  • Cette catégorie de brûleur est d'utilisation industrielle courante.
  • Le brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme conforme à l'invention est, de façon plus spécifique, tel qu'il comporte une arrivée de prémélange air et gaz combustible dans une chambre de répartition débouchant par une grille de stabili­sation de flamme dans une chambre de combustion où le prémélange est enflammé au moyen d'une électrode d'allumage.
  • Divers travaux ont été menés en vue de résoudre les problèmes consécutifs à l'allumage de tels brûleurs et au contrôle de la flamme qui se développe.
  • A ce sujet, on peut notamment citer la demande de brevet français n° 83 09468 du 8 Juin 1983 déposée au nom du même demandeur pour un "brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme, utilisé en particulier pour une installation à tube immergé".
  • Les domaines industriels auxquels s'appliquent le brûleur objet de cette demande et le brûleur de l'invention sont voisins. Les problèmes spécifiques rencontrés sont comparables.
  • Dans la demande précédente en question, on prévoyait de contrôler les conditions de fonctionnement ou de combustion de la flamme au moyen d'une cellule de contrôle sensible au rayonnement ultraviolet. Cette cellule était disposée vers le fond d'un embout qui s'éten­dait, par rapport à la direction d'écoulement du mélange gazeux, à l'arrière de la chambre de répartition. Un faible débit d'air débouchant dans l'embout assurait un refroidissement complémentaire de la cellule. De cette façon, la cellule de contrôle de la flamme était soustraite aux contraintes thermiques particulièrement élevées dans ce type de brûleur travaillant en milieu immergé avec une chambre de combustion compacte.
  • Cependant, un tel contrôle de flammes par une cellule ainsi disposée peut, dans certains cas, ne pas être approprié.
  • Des problèmes peuvent se poser, en particu­lier en cas de retour de flamme, c'est-à-dire dans le cas où, suite notamment à des instabilités de flamme consécutives à des fluctuations de pression, la flamme, au lieu de brûler dans la chambre de combustion, se développe accidentellement dans la chambre de répartition. En effet, la position occupée par la cellule, en arrière de la chambre de répartition, lui permet de continuer à observer l'existence de la flamme et donc à autoriser le fonctionnement normal du brûleur, sans détecter la position anormale de cette flamme dans la chambre de répartition, ce qui peut entraîner des contraintes thermiques excessives pouvant conduire à la destruction de la grille de stabilisation de flamme, endommageant par là même le brûleur.
  • En outre, la nécessaire protection thermique que l'on doit assurer à la cellule de contrôle, en liaison avec la compacité du brûleur, requiert, en général, une conception du brûleur assez complexe, pouvant entraîner des surcoûts de fabrication et des problèmes de standardisation.
  • Un autre moyen de contrôle des conditions de fonctionnement et de combustion de la flamme a déjà été envisagé et est utilisé. Il consiste en la prévision d'une électrode d'ionisation mise en place au niveau de la chambre de combustion.
  • Une telle électrode, disposée dans l'espace où doit se développer la flamme en condition normale de fonctionnement, permet de détecter les conditions réelles de combustion et de contrôler effectivement la position de cette flamme. Elle permet ainsi de commander l'arrêt du brûleur en cas d'instabilité excessive ou de position anormale de la flamme.
  • Cependant, il est à noter que ce type de contrôle par électrode d'ionisation était jusqu'à présent utilisé sur des brûleurs (brûleurs à plaquette céramique, brûleurs de chauffe-eau) présentant des conditions de fonctionne­ment tout à fait différentes de celles du brûleur à prémé­lange et à grille de stabilisation de flamme de l'invention.
  • Les brûleurs de chauffe-eau n'ont qu'une faible puissance de chauffe. Les problèmes de contraintes thermi­ques ne sont donc pas comparables. Les problèmes d'instabili­té de flamme consécutifs à de fortes fluctuations de pression engendrées par la combustion d'une flamme de forte puissance en milieu compact, n'existent pas.
  • Dans les brûleurs à plaquette céramique, la flamme est "rentrante" et se développe das la plaquette. Les conditions de fonctionnement et le domaine d'applica­tion sont là encore différentes de celles du brûleur de l'invention.
  • On remarquera, par ailleurs, que de façon à éviter d'interférer avec l'écoulement du mélange gazeux et à ne pas perturber les conditions de fonctionnement du brûleur, l'électrode d'ionisation, lorsqu'elle était prévue, de même d'ailleurs que l'électrode d'allumage, étaient disposées de façon que leur corps et leur tête reliée à l'alimentation électrique soient placées à l'écart de l'écoulement du mélange gazeux ; seule leur pointe beignant dans le mélange.
  • Au contraire, dans l'invention, et de façon surprenante, on s'est aperçu que prévoir l'électrode d'ionisation et l'électrode d'allumage directement au sein du mélange gazeux sur la grille de stabilisation de flamme d'un brûleur dans lequel les problèmes d'insta­bilité de flamme sont particulièrement délicats à résoudre, n'entraînait aucune perturbation pouvant nuire au bon fonctionnement du brûleur.
  • C'est pourquoi, compte tenu des nombreux avantages offerts au niveau du contrôle de la flamme par l'électrode d'ionisation, et qui ont été rappelés ci-avant, l'invention prévoit un brûleur à gaz du type à prémélange, à grille et à contrôle de flamme, comprenant une électrode d'ionisation montée, comme l'électrode d'allumage, à travers la grille de stabilisation de flamme, ces deux électrodes étant disposées, d'une part, avec leurs pointes convenablement isolées, respectivement droite, et recourbée vers la grille, s'étendant dans la chambre de combustion et, d'autre part, avec leurs têtes reliées chacune à une alimentation électrique correspondante adaptée, traversant la chambre de répartition.
  • De cette façon, on assure un bon contrôle de la position et des conditions de combustion de la flamme, permettant d'éviter, notamment, toute extinction intempestive du brûleur en cours de combustion et tout endommagement de celui-ci consécutif à une instabilité ou retour de flamme.
  • L'invention s'applique également à l'utilisation de brûleurs s'adaptant à un ensemble chambre de combus­tion et tube immergé compact.
  • 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, un brûleur à gaz conforme à l'invention, et
    • - la figure 2 illustre 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 essen­ tiellement une chambre 2 de répartition dans laquelle arrive, par une conduite 3 d'alimentation, le prémélange air/gaz combustible débouchant avantageusement dans la chambre 2 par une ouverture sensiblement radiale 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 métallique de stabilisation de flammes 5. Cette grille qui est donc relativement sensible aux contraintes thermiques (comparée aux plaquettes céramiques) dans certaines conditions de fonctionnement du brûleur peut en particulier être du type décrit à la demande française sus-mentionnée n, 83 09468. De façon plus spécifique, elle comportera des orifices de diamètre 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 2 est fermée par une paroi 7. Sur la figure 1 on a repéré par les lettre AV et AR le côté respectivement "avant" et "arrière" du brûleur, en faisant référence à la circulation du mélange combustible dans la brûleur tel que shématisé par les flèches.
  • Tel qu'illustré, l'allumage du brûleur est assuré par une électrode 8 alimentée sous haute tension convenable comme shématisé en 9 et convenablement isolée, l'allumage s'effectuant par étincelles entre la pointe recourbée 10ʹ de l'électrode d'allumage et la paroi voisine de la grille 5 ou du flasque avant 11 métallique sur laquelle est fixée la grille 5 et qui est mise à la masse du caisson formant la chambre de répartition 2.
  • Pour contrôler le bon fonctionnement du brûleur, c'est à dire en particulier les conditions de combustion de la flamme qui se développe dans la chambre de combustion, ainsi que la position de cette flamme, on a prévu une électrode d'ionisation 12 également alimentée sous tension convenable comme schématisé en 10 et convenablement isolée, la detection des conditions de développement de la flamme s'effectuant entre la pointe 13 de l'électrode 12 et la masse voisine de la grille 5.
  • La pointe 13 de l'électrode d'ionisa­tion 12 est, telle qu'illustrée, sensiblement droite et dirigée sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement du mélange gazeux.
  • Les deux électrodes 8 et 12 sont montées, également sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement du mélange combustible, de façon à traverser la grille 5 de stabilisation de flammes vers la partie centrale de celle-ci et avec leurs pointes respectives 10 et 13 s'étendant dans la chambre de combustion. Les cables d'alimentation électriques 9 et 10 des électrodes s'étendent, tel qu'illustré, dans la chambre de répartition 2 et traversent, de façon étanche aux pressions de fonctionnement considérées, la paroi de celle-ci respec­vement en 14 et 15. L'étanchéité peut notamment être assurée par des presse-étoupes.
  • Vers l'arrière de la chambre de répartition 2, vers le fond d'un embout 22 débouchant dans cette chambre, apparaît un voyant 23 de contrôle visuel de la flamme. On notera que le voyant 15 est disposé de façon tout à fait appropriée et bien protégé des con­traintes thermiques.
  • En se référant maintenant à la figure 2, on voit que le brûleur est alimenté en gaz combustible par une conduite 16, le prémélange étant ainsi délivré au conduit 3 dans des conditions sensiblement stoechio­métriques. L'air nécessaire à la combustion est délivré par un ventilateur ou compresseur 17 qui alimente le conduit d'air principal 18. Le ventilateur est alimenté en énergie électrique par 24.
  • Tel qu'illustré sur cette figure 2, on notera que le brûleur décrit ci-dessus permet d'équiper des installations de tubes immergés (ou plus généralement à chambre de combustion immergeable dans le liquide 19 à chauffer) de construction particulièrement compacte.
  • En 20 à la figure 2 est illustré le tube immergé dans lequel débouchent les produits de combustion s'échap­pant de la chambre de combustion 6 vers la sortie 21 des fumées.
  • Sur les figures schématiques on n'a pas repré­senté les organes de mise en marche/arrêt du brûleur.
  • Cependant, comme on le comprend, l'arrêt du brûleur est commandé par l'électrode d'ionisation 12 dès que celle-ci détecte une absence de flamme .

Claims (3)

1. - Brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flammes comportant une arrivée de prémélange air et gaz combustible dans une chambre de répartition débouchant, par une grille de stabilisation de flammes sensible aux contraintes thermiques, dans une chambre de combustion où le prémélange est enflammé au moyen d'une électrode d'allumage, ledit brûleur étant caractérisé en ce qu'il comprend une électrode (12) d'ionisation pour le contrôle de la flamme, lesdites électrodes d'allumage (8) et d'ionisation (12) étant montées à travers la grille (5) de stabilisation de flammes, d'une part avec leurs pointes (10, 13) convenablement isolées, respectivement recourbée vers la grille et droite, s'étendant dans la chambre de combustion (6) et, d'autre part, avec leurs têtes reliées chacune à une alimentation électrique (9,10) traversant la chambre de répartition (2).
2. - Brûleur selon la revendication 1, carac­térisé en ce que les électrodes d'allumage (8) et d'ioni­sation (12) sont montées vers la partie centrale de la grille (5) de stabilisation de flammes, sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement du mélange gazeux combustible de la chambre de répartition (2) vers la chambre de combustion (6).
3. - Utilisation du brûleur selon la revendi­cation 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'il s'adapte à un ensemble chambre de combustion (6) et tube immergé compact.
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